才永興,喬慶東,李 琪,楊占旭
鋰離子電池正極材料Li1+xV3O8的研究進(jìn)展
才永興,喬慶東,李 琪,楊占旭
(遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001)
層狀結(jié)構(gòu)的 Li1+xV3O8是一種比較理想的鋰離子電池正極材料,它具有比容量高、價(jià)格便宜、循環(huán)壽命長(zhǎng)、容易制備、在空氣中穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),使其近些年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注。綜述了 Li1+xV3O8正極材料的充放電反應(yīng)特性,容量衰減的原因,合成制備方法和摻雜包覆改性的研究現(xiàn)狀。最后對(duì)其以后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
釩酸鋰;鋰離子電池;改性;正極材料
Li1+xV3O8是一種近些年來(lái)人們研究較多的鋰離子電池正極材料。其實(shí)早在1957年Wadsley[1]就對(duì)這種化合物的結(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行了分析研究。Li1+xV3O8具有片層狀的結(jié)構(gòu),每層由共用邊和角的VO6八面體和VO5斜三角椎體構(gòu)成,層與層之間由八面體間隙位置的Li+離子緊密連接,過(guò)量的 Li+離子占據(jù)著四面體的位置。這樣的固定效應(yīng)使其在充放電循環(huán)中有一個(gè)穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。近些年來(lái),隨著鋰離子電池的迅猛發(fā)展,人們期待找到一種高效的正極材料來(lái)提高鋰離子電池的性能,自然而然地 Li1+xV3O8就進(jìn)入了研究者們的眼簾。確實(shí),相比于目前諸多已經(jīng)投入工業(yè)化生產(chǎn)的正極材料,如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰。它具有比較大優(yōu)勢(shì):價(jià)格相對(duì)便宜,比容量大,理論比容量在400 mA·h/g,實(shí)際比容量預(yù)計(jì)可達(dá)到200 mA·h/g以上,循環(huán)壽命長(zhǎng),容易制備,在空氣中穩(wěn)定,對(duì)環(huán)境的污染小等。同時(shí)由于我國(guó)的釩礦資源儲(chǔ)量豐富,所以 Li1+xV3O8作為鋰離子電池正極材料具有巨大的應(yīng)用前景。
Kawakita[2]等研究了它作為基體進(jìn)行鋰離子脫嵌的反應(yīng),即充放電反應(yīng)時(shí)的化學(xué)變化。他們分別采用化學(xué)方法和電化學(xué)方法進(jìn)行鋰離子脫嵌。研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是用化學(xué)還是電化學(xué)方法進(jìn)行反應(yīng)時(shí),Li1+xV3O8在鋰離子的脫嵌過(guò)程中都會(huì)發(fā)生相變化。概括起來(lái)講,鋰離子嵌入大致可分為三步:首先當(dāng)0.2 Kawakita[3]等還研究了不同溫度和不同充放電電流密度對(duì) Li1+xV3O8的容量和鋰離子擴(kuò)散反應(yīng)速率的影響。他們發(fā)現(xiàn)在電流密度較小,反應(yīng)溫度較高時(shí),材料表現(xiàn)出的充放電容量較大。當(dāng)電流密度從100μA/cm-2上升到 1 000μA/cm-2時(shí),容量損失為40%;溫度從45 ℃降到5 ℃時(shí),容量損失為35%。這些結(jié)果表明 Li1+xV3O8的嵌鋰行為受溫度和電流密度兩個(gè)動(dòng)力學(xué)因素影響較大。Li1+xV3O8表現(xiàn)出的脫鋰行為與之情況相似。另外上述提到,當(dāng)x>1.5時(shí),會(huì)產(chǎn)生新相Li4V3O8,在新相中鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)變小,在電化學(xué)方法中這種LiV3O8相與Li4V3O8相之間的轉(zhuǎn)變時(shí)不可逆的,所以就導(dǎo)致了在循環(huán)過(guò)程中的容量的損失。 鋰離子電池正極材料在循環(huán)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定性能的衰減。經(jīng)過(guò)前人的研究大致可以總結(jié)出一下幾條原因:①正極材料中的活性物質(zhì)在充放電過(guò)程中受到電解液中腐蝕性酸性物種的腐蝕溶解;②在循環(huán)過(guò)程中,產(chǎn)生阻礙導(dǎo)電的鈍化膜,降低電極中電子的導(dǎo)電性;③活性材料發(fā)生不可逆的相變;④電接觸界面的容量損失。所有的這些通常會(huì)產(chǎn)生歐姆降,從而直接導(dǎo)致容量的損失[4]。 前述中提到,在循環(huán)過(guò)程中不可逆的相轉(zhuǎn)變使鋰離子擴(kuò)散系數(shù)減小是容量損失的原因之一。Tanguy[5]等研究了用液相法合成的 Li1+xV3O8在循環(huán)過(guò)程中容量損失的原因。他們的研究發(fā)現(xiàn):在進(jìn)行了20次循環(huán)之后,電解液-電極一側(cè)的Li1.1V3O8顆粒表面形成了一層膜,此時(shí)容量的損失接近25%,而集電極一側(cè)表面并沒(méi)有發(fā)生變化。當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)50以后,與20次時(shí)相比,這側(cè)膜變得稠密了。但值得注意的是,通過(guò)電極的多孔性,這層膜也出現(xiàn)在了集電極上。研究結(jié)果表明,這層膜致使活性物質(zhì)顆粒與整個(gè)電路接觸不良乃至絕緣,導(dǎo)致容量損失現(xiàn)象的出現(xiàn)。 目前合成Li1+xV3O8的方法主要可分為高溫固相合成法和低溫液相合成法。近些年來(lái)人們研究的其他的一些合成方法都是在這兩種方法基礎(chǔ)上的改進(jìn)。 3.1 高溫固相合成法 高溫固相合成法大多是以Li2CO3和V2O5為反應(yīng)初始原料,將二者按照Li/V=1∶3混合充分研磨之后,在680~900 ℃下熔融反應(yīng)24~30 h,然后逐漸降溫到室溫合成產(chǎn)物[6]。其中作為反應(yīng)原料之一的V2O5大多是通過(guò)在500 ℃下分解NH4VO3制得。高溫固相合成法操作方便,合成工藝簡(jiǎn)單,具有良好的工業(yè)化前景。但是這種合成方法也存在比較大的缺點(diǎn)。例如:合成溫度高,合成時(shí)間長(zhǎng),能耗巨大,生產(chǎn)效率低等。尤其是由于合成材料的顆粒粒度較大、顆粒的均勻性較差,導(dǎo)致材料的充放電容量衰減快,循環(huán)性能不理想,這就制約了高溫固相合成法的發(fā)展。研究者們?yōu)榱吮3指邷毓滔嗪铣煞üに嚭?jiǎn)單的特點(diǎn),同時(shí)又能提高合成材料的電極性能,對(duì)此方法做出了不同的改進(jìn)。Yu等通過(guò)采用將熔融的合金快速淬冷,將水分子摻入到了材料之中,得到了樣品比容量有240 mA·h/g,50次循環(huán)后還在180 mA·h/g以上[7]。 3.2 低溫液相合成法 鑒于高溫固相法合成的電極材料充放電性能差的缺點(diǎn),Pistoia[8]等人研究出了能夠合成出無(wú)定形Li1+xV3O8的液相法。他們選擇 LiOH和 V2O5作為反應(yīng)原料,按照物質(zhì)的量比為2∶3的比例,一邊攪拌一邊緩慢的將二者加入到 50 ℃的去離子水中,攪拌反映大約24~30 h,直至V2O5全部反應(yīng),黃色的V2O5變?yōu)榧t棕色。然后將溶液過(guò)濾,產(chǎn)物用水或甲醇洗滌,最后放入到真空干燥箱中干燥,得到無(wú)定形的反應(yīng)產(chǎn)物。合成的產(chǎn)物在呈現(xiàn)出不規(guī)則的絨毛狀,理論上這種無(wú)定形的Li1+xV3O8每摩爾最多有可能插入9摩爾的Li+,同時(shí)這種無(wú)定形的結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)i+提供了更加便捷的擴(kuò)散路徑。與高溫固相法合成的具有規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的材料相比,它具有更大的比容量,并且在高倍率放電時(shí)循環(huán)壽命更長(zhǎng)。雖然研究者們采用的液相合成方法大多是基于以上的合成法,但是其中的溶膠凝膠合成法還是很有特點(diǎn),也是目前比較流行的一種合成方法。Wu[9]等人采用醋酸鋰和偏釩酸銨作為原料,先將偏釩酸銨溶解于80攝氏度的去離子水中,然后分別按照釩鋰比2.0~2.5稱取醋酸鋰加入到偏釩酸銨溶液中,攪拌至均勻后,以檸檬酸作為螯合劑,逐滴滴入到二者的混合溶液中,顏色變化依次為桔紅色,暗綠色,藍(lán)色。然后用氨水調(diào)節(jié) pH至7,得到透明的藍(lán)色溶膠。再在60 ℃的溫度下攪拌3 h,放置10 h后,在80℃的溫度下,蒸發(fā)掉水分,得到藍(lán)色凝膠。將凝膠在 110℃下烘干12 h形成前軀體,最后將前軀體在450 ℃下燒結(jié)24 h得到合成產(chǎn)物。經(jīng)過(guò)他們的研究發(fā)現(xiàn),在釩鋰比為2.4、pH=7時(shí)合成產(chǎn)物的形貌最佳,出現(xiàn)雜相數(shù)目最少。這種合成方法實(shí)現(xiàn)了原料在分子級(jí)別上的混合,從而得到了更加精細(xì)更加具有均一性的反應(yīng)產(chǎn)物,使得產(chǎn)物具有較大的充電比容量,另外這種方法跟固相法和前述的液相法相比,沒(méi)有應(yīng)用毒性較大價(jià)格昂貴的五氧化二釩作為初始原料,又能在較低的溫度下合成產(chǎn)物,所以從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)角度考慮,這種合成方法都是具有發(fā)展前景的。但這種方法的合成時(shí)間長(zhǎng),對(duì)反應(yīng)的控制程度要求高,都是影響其工業(yè)化前景的弊端[10]。 為了改善Li1+xV3O8正極材料的電極性能,研究者們對(duì)其進(jìn)行了改性方面的探索?;谏鲜鯨i1+xV3O8材料在充放電過(guò)程中存在的問(wèn)題,研究者們主要采用了離子摻雜、分子摻雜、表面活性物質(zhì)包覆等手段進(jìn)行改性,在一定程度上改變了Li1+xV3O8材料的晶體結(jié)構(gòu),從而改善了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。 4.1 Li1+xV3O8的摻雜改性 摻雜是對(duì)鋰離子電池電極材料進(jìn)行改性常用的方法之一?;驹砭褪峭ㄟ^(guò)摻雜進(jìn)一些離子或分子,影響到材料的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu),達(dá)到改善材料電極性能的目的。對(duì) Li1+xV3O8所做的摻雜大致可分為三種:摻雜進(jìn)的陽(yáng)離子對(duì)晶體內(nèi)鋰位或釩位的取代、無(wú)機(jī)分子摻雜和陰離子摻雜。 Kawakita[11]等人應(yīng)用 Pistoia的方法合成出了摻雜有Mn或Mo的Li1+xV3O8材料。分別地:當(dāng)0 無(wú)機(jī)小分子的摻雜也是一種有效的手段。Manev[13]等人研究了摻雜無(wú)機(jī)小分子,如 H2O、CO2和NH3對(duì)Li1+xV3O8材料電極性能的影響。實(shí)驗(yàn)獲得的材料的比容量高達(dá)280 mA·h/g,并表現(xiàn)出了較好的循環(huán)可逆性。這可能是由于摻入的少量的無(wú)機(jī)小分子擴(kuò)張了Li1+xV3O8的層間距,增大了鋰離子在層間的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散速率。實(shí)驗(yàn)還表明當(dāng)H2O和CO2同時(shí)插入時(shí),得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是最好的。 另外還有陰離子的摻雜。雖然這種摻雜方法較少,但是也取得了一定的效果。Wu[14]等合成的摻雜氟離子的材料的首次放電比容量達(dá)到了 233 mA·h/g,40次循環(huán)之后仍有192 mA·h/g,在2.6~2.8 V之間有較寬的放電平臺(tái)。 4.2 Li1+xV3O8的包覆改性 除了應(yīng)用摻雜改性的方法改善性能外,包覆改性也同樣是一種行之有效的方法。包覆改性并不能改變 Li1+xV3O8內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu),而通過(guò)包覆導(dǎo)電率高、粒徑小、物化性能穩(wěn)定的物質(zhì)來(lái)提高材料的導(dǎo)電性。同時(shí),包覆能抑制合成過(guò)程中晶粒的生長(zhǎng),促使合成出接近納米級(jí)的材料,相關(guān)實(shí)驗(yàn)也證明納米級(jí)的材料能提高Li1+xV3O8的電極性能。 Feng[15]等通過(guò)將 Li1+xV3O8粉末均勻分散于聚吡咯的乙醇溶液中,合成出了的Li1+xV3O8-PPy化合物。聚吡咯具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性能,所以其在材料中充當(dāng)著導(dǎo)電劑的作用,同時(shí)它也是種很好的粘結(jié)劑,這樣有助于在充放電循環(huán)中團(tuán)聚住 Li1+xV3O8粒子提高循環(huán)穩(wěn)定性,它還可以在電極反應(yīng)時(shí)起緩沖作用。實(shí)驗(yàn)證明,該復(fù)合材料的首次充放電比容量達(dá)到了292 mA·h/g,循環(huán)性能也比較好。 Jiao[16]等采用了 AlPO4納米線對(duì)材料進(jìn)行了包覆。通過(guò)SEM和TEM對(duì)合成材料的表面形態(tài)的表征,可以發(fā)現(xiàn) AlPO4納米線明顯存在于 Li1+xV3O8。實(shí)驗(yàn)表明,1%(wt)的 AlPO4包覆的材料的比容量有明顯下降,但是循環(huán)伏安法顯示此復(fù)合材料在電極反應(yīng)時(shí)的相轉(zhuǎn)變得到了明顯抑制,這對(duì)于改善Li1+xV3O8的循環(huán)性能有所幫助。 綜上可以看出,層狀結(jié)構(gòu)的 Li1+xV3O8正極材料是極具發(fā)展前景的,其優(yōu)良的性價(jià)比在鋰離子電池正極材料領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。今后對(duì) Li1+xV3O8的研究重點(diǎn)將放在摻雜包覆改性的作用機(jī)理,改性合成出具有特殊形貌的納米級(jí)正極材料,提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性,同時(shí),通過(guò)對(duì)Li1+xV3O8材料合成和改性的研究,總結(jié)出如何對(duì)其工業(yè)化,產(chǎn)業(yè)化也是研究的重中之重,因?yàn)橹挥泄I(yè)化才能展現(xiàn)出材料本身的價(jià)值,發(fā)揮我國(guó)鋰、釩資源豐富的優(yōu)勢(shì)。相信Li1+xV3O8材料在性能、環(huán)境和成本方面的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),一定會(huì)讓其有良好的前景。 [1]Wadsley A D. Crystal chemistry of non-stoichiometric pentavalent vandadium oxides: crystal structure of Li1+xV3O8[J]. Acta Crystallogr aphica, 1957, 10(4): 261-267. [2]Kawakita J, Miura T, Kishi T. Charging characteristics of Li1+xV3O8[J]. Solid State Ionics, 1999, 118(1): 141-147. [3]Kawakita J, Miura T, Kishi T. Lithium insertion and extraction kinetics of Li1+xV3O8[J]. Journal of power sources, 1999, 83(1): 79-83. [4]Caballero A, Morales J, Vargas O A. Electrochemical instability of LiV3O8as an electrode material for aqueous rechargeable lithium batteries[J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(13): 4318-4321. [5]Tanguy F, Gaubicher J, Soudan P, et al. Propagation of surface-assisted side reactions, a main cause for capacity fading of vanadium oxide nanograins[J]. Electrochemical and solid-state letters, 2007, 10(8): A184-A188. [6]王高軍, 蘇光耀, 李朝暉, 等. Li1+xV3O8的中熱固相法合成及其電化學(xué)性能[J]. 電源技術(shù), 2005, 29(6): 349-352. [7]任政娟, 王青春, 水淼, 等. 溶膠-凝膠法制備的Li1.15V3O8的電化學(xué)性能[J]. 電池, 2010, 4: 011. [8]Pistoia G, Pasquali M, Wang G, et al. Li/Li1+xV3O8Secondary Batteries Synthesis and Characterization of an Amorphous Form of the Cathode[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1990, 137(8): 2365-2370. [9]Wu Z J, Zhao X B, Tu J, et al. Synthesis of Li1+xV3O8by citrate sol–gel route at low temperature[J]. Journal of alloys and compounds, 2005, 403(1): 345-348. [10]王恩通, 楊林芳, 任引哲. 溶膠-凝膠法合成鋰離子電池正極材料Li1+xV3O8的初步探討[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2012 (4): 75-79. [11]Kawakita J, Katagiri H, Miura T, et al. Lithium insertion behaviour of manganese or molybdenum substituted Li1+xV3O8[J]. Journal of Power sources, 1997, 68(2): 680-685. [12]劉黎, 焦麗芳, 袁華堂, 等. 鋰離子電池電極材料Li1+xV3O8研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2011, 30(1): 189-195. [13]Manev V, Momchilov A, Nassalevska A, et al. A new approach to the improvement of Li1+xV3O8performance in rechargeable lithium batteries[J]. Journal of power sources, 1995, 54(2): 501-507. [14]吳俊莉, 童慶松, 劉永梅, 等. 氟和鈷共同摻雜對(duì)LiV3O8電化學(xué)性能的影響[J]. 云南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2006, 28(6): 530-532. [15]Feng C Q, Chew S Y, Guo Z P, et al. An investigation of polyp yrrole–LiV3O8composite cathode materials for lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 2007, 174(2): 1095-1099. [16]Jiao L, Liu L, Sun J, et al. Effect of AlPO4nanowire coating on the electrochemical properties of LiV3O8cathode material[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112(46): 249-254. Research Progress in Li1+xV3O8Cathode Materials for Lithium-ion Battery CAI Yong-xing,QIAO Qing-dong,LI Qi,YANG Zhang-xu Li1+xV3O8with layered structure is an ideal cathode material for lithium-ion battery. It has many advantages, such as high specific capacity, cheap, long cycle life, easy to prepare, stable in air, environment friendly and so on, making it get a lot of attention in recent years. In this article, charge-discharge characteristics of Li1+xV3O8material were reviewed, reasons of capacity fading were analyzed, and synthesis and modification methods were discussed. Finally, the development trend of Li1+xV3O8material was pointed out. Li1+xV3O8; Lithium-ion battery; Modification; Cathode material TM 911 : A : 1671-0460(2015)05-1038-03 遼寧省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目,項(xiàng)目號(hào):L2011057。 2014-11-24 才永興(1989-),男,遼寧阜新人,在讀碩士研究生,研究方向:新型能源材料化學(xué)。E-mail:758041841@qq.com。2 Li1+xV3O8的性能衰減原因概述
3 Li1+xV3O8的合成
4 Li1+xV3O8的改性方法研究
5 結(jié)束語(yǔ)
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China)