鋰硫二次電池S_V_2O_5正極復合材料的制備及其電化學性能

1、第31卷第1期2011年2月桂林理工大學學報Journal of Gu ili n Un i versity ofTechnol ogy Vol 31No 1Feb 2011文章編號:1674-9057(2011 01-0115-03鋰硫二次電池S-V 2O 5正極復合材料的制備及其電化學性能彭代江(桂林理工大學招生就業(yè)處, 廣西桂林 541004摘 要:采用不同化學計量比的單質硫和五氧化二釩合成復合材料, 應用XRD 和SEM 表征觀察硫-五氧化二釩復合材料, 循環(huán)伏安、交流阻抗和電池充放電測試材料的電化學性能。結果表明:n (S n (V 2O 5 為5 1時具有較好的電化學性能, 首次放

2、電比容量為396 7mAh g -1, 以0 1C 倍率循環(huán)20次后的容量為350mAh g -1。關鍵詞:鋰硫二次電池; 單質硫; 五氧化二釩; 復合材料中圖分類號:T M 911 文獻標志碼:A隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展, 對化學電源的需求量越來越大。同時, 電動車及軍事裝備、航天技術的發(fā)展對高能、安全、長壽命的化學電源提出了更高的需求1。鋰硫二次電池是近年發(fā)展起來的新一代電池系統(tǒng), 單質硫作為正極材料的理論比容量為1672mAh g -1, 理論比能量為2600W h kg -1, 硫廉價易得, 對環(huán)境友好2-4。雖然硫的理論容量很高, 但單質硫是絕緣體, 電化學活性很低, 循環(huán)容量衰減快5

3、。為了提高單質硫的電化學性能, 一些文獻報道的方法主要是采用碳包覆6-7, 鮮有采用金屬氧化物對硫進行包覆8。筆者采用五氧化二釩對硫進行包覆, 研究了不同五氧化二釩含量對其晶型結構、表面形貌及電化學性能的影響。1 實 驗1 1 正極活性材料的制備將單質硫(分析純, 天津大茂 和五氧化二釩(分析純, 百大化工 按一定化學計量比在瑪瑙研缽中研磨2h 制得復合材料。1 2 物相及形貌表征采用X 射線衍射儀(R i g aku R int-2000 對合成材料進行物相分析, 以Cu 耙為輻射源, 電壓40kV, 電流300mA, 步寬0 02 , 掃描速度2 m in -1, 掃描范圍為10 80 。

4、SE M 掃描電鏡(J EOL JS M -5600LV 觀察樣品表面形貌。1 3 電池組裝與測試將活性物質、乙炔黑和P VDF 按7 2 1(質量比 配比混合均勻涂片, 真空烘干后制成正極片。以鋰片為負極, Ce l g ard 2400微孔聚丙烯膜為隔膜, 以1m ol L-1L i P F 6/EC+DMC +E M C(1 1 1,體積比 為電解液, 在充滿氬氣的手套箱中組裝成CR 2025型扣式電池。LAND 電池測試儀(CT 2001A, 武漢金諾電子有限公司 測試電池性能, 充放電電流0 1mA c m -2, 電壓范圍1 52 8V 。C H I 電化學工作站(C H I 66

5、0A, 上海辰華 測試電池交流阻抗和循環(huán)伏安曲線, 掃描速度為0 05mV s -1, 掃描電壓在1 35 0V 。2 結果與討論2 1 樣品的晶型結構分析圖1為不同化學計量比的S -V 2O 5復合材料的XRD 譜?？梢钥闯?不同化學計量比(摩爾比 的S -V 2O 5復合材料的特征峰基本一致, 在2 =收稿日期:2010-10-21基金項目:廣西自然科學基金項目(桂科基0991025作者簡介:彭代江(1980 , 男, 講師, 研究方向:鋰離子電池正極材料。:2011, 115- 圖1 不同化學計量比的S-V 2O 5復合材料的XRD 圖F i g 1 XRD of different s

6、toichi ometry S-V 2O 5co mposites23 和28 處分別具有明顯的硫和五氧化二釩的衍射峰。其中n (S n (V 2O 5 =5 1的樣品在2 =23 處的衍射峰強度是最強的。2 2 樣品的形貌分析圖2為不同化學計量比的S -V 2O 5復合材料的SE M 圖。其中:圖2a 顆粒較細, 硫和五氧化二釩分散較均勻; 圖2b 顆粒也較細, 但存在一定的團聚; 圖2c 顆粒較大, 團聚現(xiàn)象明顯。這說明隨著復合物中五氧化二釩化學計量比的增大, 復合物的顆粒變得更均勻細微, 團聚越少。2 3 樣品的首次充放電測試圖3為不同化學計量比的S -V 2O 5復合材料合成電極在常溫

7、下以0 1C 倍率充放電時的首次充放電曲線, S-V 2O 5復合材料合成電極的充放電平臺分別在4 54 8V 和1 62 0V 附近。表1是圖3所示4種不同化學計量比樣品電極的首次充放電比容量對比, 可以看出, n (S n (V 2O 5 =5 1的樣品具有較優(yōu)的充放電性能, 首次充放電比容量分別為457 5和396 7mAh g -1。由圖4可知化學計量比n (S n (V 2O 5 =5 1的樣品, 以0 1C 倍率經(jīng)過20次循環(huán), 電池的比容量仍保持在350mAh g -1, 即88 2%的比容量, 這表明該電池的循環(huán)性能良好, 容量保持率較高。2 4 交流阻抗性能測試采用交流阻抗測

8、試研究不同化學計量比的S-V 2O 5復合材料電極的容抗大小和溶液內(nèi)阻大小。圖5(各樣品化學計量比與圖3相同 為不同化學計量比的S-V 2O 5復合材料電極在充電完全和放電完全兩種狀態(tài)下的交流阻抗曲線圖, n (S n (V 2O 5 =5 1的樣品體系的容抗最小。2 5 循環(huán)伏安性能測試圖6是n (S n (V 2O 5 =5 1樣品在掃描速度為0 05mV s -1, 掃描電壓范圍在1 35 0V 的循圖3 不同化學計量比的S-V 2O 5復合材料電極的首次充放電曲線F i g 3 Charge discharge curves of different st o ichi ometryS

9、-V 2O 5co mposites表1 不同化學計量比的S-V 2O 5材料電極的首次充放電比容量和庫侖效率T ab l e 1 F i rst charge and discharge capacit y and Coul o m bi c effi c i ency o f different stoichio metry S-V 2O 5co mposites樣品首次充電比容量/(mAh g -1首次放電比容量/(mAh g -1庫侖效率/%a 284 3241 885 1b 376 1331 288 1c 457 5396 786 7d394 5286 072 5圖2 不同化學計量比

10、的S-V 2O 5復合材料的SEM 圖F i g 2 SE M o f different stoichio metry S-V 2O 5co mposites116桂 林 理 工 大 學 學 報 2011年 圖4 不同化學計量比的S-V 2O 5樣品循環(huán)性能F i g 4 Electroche m ica l cycli ng perfor mance o f diff erentst o ichi ometry S-V 2O 5sa mp l es圖5 不同化學計量比的S-V 2O 5復合材料電極交流阻抗曲線F i g 5 AC m i pedance p l ots of differe

11、nt st o ichi ometryS-V 2O 5co mposites環(huán)伏安曲線, 在4 3V 附近有1個氧化峰, 在2 7V 附近有個較小的還原峰。3 結 論以不同化學計量比硫-五氧化二釩復合材料作正極組裝的2025型扣式電池在0 1C 倍率 下充圖6 化學計量比n (S n (V 2O 5 =5 1的S-V 2O 5材料電極的循環(huán)伏安曲線F i g 6 Cyclic vo l ta mm ogra m curves o f S-V 2O 5sa mple at 5 1rati o放電。當n (S n (V 2O 5 =5 1時, 其首次充、放電比容量較高, 分別達到457 5和396

12、 7mAh g -1, 以0 1C 倍率循環(huán)20次后的容量為350mAh g -1。參考文獻:1張勇, 武行兵, 馮輝, 等. 鋰離子電池硫正極材料改性研究進展J.電池工業(yè), 2009, 14(2:121-124.2RyuH S , A hn H J , K m i K W, e t a. l D ischarge behavior oflit hi u m /sulfur ce llw it h TE GD M E based electro l yte at l ow t em peratureJ.J P o wer Sources , 2006, 163:201-206. 3RyuH S

13、 , AhnH J , K m i K W, et a. l D ischarge process ofL i/PVdF/Sce lls a t roo m te mperat ure J.J Power Sources ,2006, 153:360-364.4Ji n B , K m i J U, Gu H B . E lectroche m ical properti es of li thi u m s ulfur batteri esJ.J Power Sources , 2003, 117:148-152.5李穎, 付遜, 胡廣俠, 等. 新型鋰蓄電池正極含硫復合材料的研究J.電源技

14、術, 2004, 28(5:261-263. 6杜銳, 袁中直, 鐘清華, 等. 鋰硫二次電池正極復合材料的合成和性能研究J.電源技術, 2008, 32(12:845-847. 7杜銳, 袁中直. 鋰硫二次電池硫-碳納米管正極的合成和性能J.電化學, 2009, 15(3:284-287. 8Zhang Y, W ang L Z , Zhang A Q, et a. l NovelV 2O 5/Scomposi te cat hode materi a l for t he advanced secondary lit h i u m ba tter i esJ.So li d State

15、Ioni cs , 2010, 181(17-18:835-838.Preparation and E lectroche m ical Performance of S-V 2O 5Co mpositeCathode m ateri als for L ithi u m /Sulfur Batteri esPE NG Da i jiang(Departm ent of Enrol m ent and Vocation, Guili n University of Technology, Gu ilin 541004, China Abst ract :A co mposite is synt

16、hesized by heati n g different sto ichio m etric m i x ture o f e le m ent sulfur (S and va nad i u m pentox i d e (V 2O 5. The su lfur vanad i u m pentox i d e co m posites are characterized by X ray diffracti o n and SE M. The e lectroche m ica l property is characterized by cyclic vo lta mm etry (CV , A. C . i m pedance and constant current char ge and dischar ge . It reveals that n (S n (V2O 5 at 5 1stoich i o m etric m ixture exh i b ite agood electr