金属氧化物对TeO2-V2O5系玻璃热动力学及电化学性能的影响

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基于氧化物玻璃作为锂离子电池负极材料结构上的优势,即开阔的三维无规则网络结构以及无晶界而有利于锂离子的传输和存储,本文主要研究了三元Al2O3-TeO2-V2O5玻璃负极的电化学性能以及该体系玻璃的热动力学行为。考虑到具有变价钒离子对玻璃体系电子电导率的影响,我们还研究了Al2O3-TeO2-V2O5玻璃在不同气氛下热处理不同时间对其作为负极材料电化学性能的影响。此外,考虑到锂离子对负极材料电化学性能的贡献,本论文还研究了四元Li2O-Nb2O5-TeO2-V2O5玻璃负极电化学性能以及相关的热动力学性能,同时研究了不同热历史对其作为负极材料电化学性能的影响。主要内容包括以下三个方面:(1)研究了Al2O3含量对TeO2-V2O5玻璃负极,即x Al2O3-(100-x)(TeO2-V2O5)(x=0,2,5和7 mol%)(AVT)玻璃的物理、热动力学和电化学性能的影响。研究发现,2AVT玻璃具有最小的Tg值,即玻璃网络的完整性较低,结构最松散。通过热力学分析发现该组分玻璃的热稳定性最差,即Tc与Tg的差值最小,最容易析晶。将AVT玻璃作为锂离子电池负极在电流密度为1000 m A g-1下充放电1000个循环后,发现2AVT玻璃负极保持最高的放电容量为202 m Ah g-1,也就是说,在该玻璃体系中Al2O3含量存在一个临界值2 mol%。对充放电后的玻璃负极进行微观结构分析发现,在AVT玻璃负极中发现了无序-有序转变,XRD和HRTEM结果表明充放电过程中析出了Te纳米晶。一方面,Te纳米晶本身能够提高电化学性能,另一方面,玻璃基体能够有效缓解在充放电过程中纳米晶体积的变化,二者协同作用提高了AVT玻璃负极的容量和循环稳定性。(2)选取具有较好电化学性能的AVT玻璃组成,即2AVT玻璃,通过DSC确定其特征温度,并将样品在析晶温度在不同气氛下热处理不同的时间。研究发现,2AVT玻璃的析晶类型与热处理时间无关,却依赖于热处理气氛。在析晶温度601K处在空气气氛下分别热处理5 min,2 h和8 h,析出的晶体均是V2O5。在氩气和氢气气氛下热处理2小时的样品析出的晶体分别为Te4O9和Te VO4。通过对热处理后的样品的电化学性能分析发现,当在空气气氛下热处理2AVT玻璃5 min时,即h5m2AVT样品表现出最高的可逆容量284 m Ah g-1和较好的循环稳定性。当在Ar气气氛下对2AVT样品热处理两小时后,玻璃负极在电流密度为1000 m A g-1,1000个循环后的容量为243 m Ah g-1,高于相同条件下在H2和空气气氛下热处理的样品,且循环可逆性较好。总之,由于变价元素钒离子的存在,在析晶温度处的热处理条件对析晶种类和电化学性能均有一定的影响。(3)研究了Nb2O5和Li2O对TeO2-V2O5玻璃,即LNVT玻璃负极电化学性能的影响。结果表明随着Li2O和Nb2O5含量的增加,玻璃网络结构变得更加松散,[TeO4]双三角锥体渐渐转变成[TeO3]三角锥体,且VO4逐渐变为VO5。将其作为锂离子电池的负极材料,在电流密度为1000 m A g-1充放电2000个循环后,LNVT30玻璃表现出最高的可逆容量131 m Ah g-1。LNVT30玻璃在析晶温度处分别热处理0.5h、1h、4h和12h出的晶体都为Nb18V4O55,在电流密度为1000 m A g-1的情况下,2000个循环结束时,h12h LNVT30玻璃其最高容量为215 m Ah g-1,析出的晶体和剩余的玻璃相在放电/充电循环过程中保持了负极材料的循环稳定性,它们协同作用使得锂离子电池具有较高的容量和优异的循环稳定性。我们系统地研究了金属氧化物对TeO2-V2O5玻璃的物理、热动力学及电化学性能的影响,并研究了在不同条件下获得的微晶玻璃的电化学性能,组分和微观结构玻璃负极的电化学性能均有很强的依赖关系。此外,同二元TeO2-V2O5玻璃负极类似,充放电也会诱导AVT玻璃负极发生无序有序转变,这表明无序有序转变可能是玻璃负极中的普遍现象,只是析出的纳米晶类型与原始玻璃的组成有很大的依赖关系,也就是说,在充放电过程中玻璃负极发生的氧化还原反应过程强烈的依赖于化学组成,具体关系的揭示需要进一步的实验验证。基于无序有序转变后的玻璃相和纳米晶相的协同作用使得锂离子电池具有较高的容量和优异的循环稳定性。
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