氟磷酸铁钒锂(LiFe1-xVxPO4F,0≤x≤1)的合成及其电化学性能

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由聚阴离子团[PO4F]组成基本结构的氟磷酸盐正极材料,能在反复的Li+脱嵌过程中保持结构稳定。此外,阳离子的诱导效应(inductive effect)能实现氧化还原对电位的调控。LiFePO4F和LiVPO4F晶体结构相同,均是Tavorite结构(P1?,triclinic),二者充放电电压平台分别为2.8 V(Fe2+/3+)、4.2 V(V3+/4+)。而具有高电压平台的正极材料是进一步提高锂离子电池能量密度的先决条件之一。本论文工作合成了Tavorite结构的LiFe1–xVxPO4F(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9&1)固溶体,反应中间物VPO4由水热法合成。采用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(EDS)、充放电测试、循环伏安测试(CV)和恒流间歇滴定测试(GITT)对LiFe1–xVxPO4F(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9&1)样品进行了研究。结果表明:以水热–煅烧工艺成功合成了固溶体LiFe1–xVxPO4F。端元相LiFePO4F和LiVPO4F的充放电过程为双相氧化还原反应,而固溶体LiFe1–xVxPO4F的充放电过程为单相氧化还原反应,这由充放电曲线倾斜、CV曲线氧化还原峰重叠以及开路电压曲线倾斜的论据所证实。端元相LiVPO4F充电过程中的电化学氧化反应较为复杂,在4.3 V(vs.Li)处可形成中间相Li0.67VPO4F。本论文工作首次研究了LiFe1–xVxPO4F(0≤x≤1)固溶体的中间相的形成及其电化学行为,并提出了相应的电化学反应机制。在LiFe1–xVxPO4F中,CV曲线表明Fe2+/3+氧化还原电位随着x变化而改变,源自于M(M=Fe1–xVx)的电负性对氧化还原电位的较大影响;而V3+/4+氧化还原电位随着x变化却不发生改变,原因在于M(M=Fe1–xVx)的电负性和键长两者对氧化还原电位的影响相当。以CV法测算的LiVPO4F的锂离子扩散系数与LiFePO4F的大小相当,而LiFe0.3V0.7PO4F和LiFe0.5V0.5PO4F的锂离子扩散系数均小于两个端元相的值。这是因为固溶体LiFe1–xVxPO4F,充放电过程中始终存在1–x个Li(分布在Fe的周围)无法脱出,这对于Li+的扩散存在阻碍作用。以GITT法测算的LiVPO4F的锂离子扩散系数比LiFePO4F的大1–2数量级。而LiFe0.5V0.5PO4F和LiFe0.3V0.7PO4F的锂离子扩散系数介于LiVPO4F和LiFePO4F二者之间。
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