摘要
锂离子电池作为主要的储能器件应用于各个领域，随着人们对能量存储要求的日益提高，开发并优化具有高比容量的电极材料变得愈加重要。钒基化合物因其结构多样，高比容量，丰富的价态变化被广泛关注，本论文设计制备了两种钒基化合物LiCuxFe3-x(VO4)3和Cu3V2O8空心球/MXene复合材料，并对电化学性能及充放电机理进行了分析和研究，结论如下: (1)采用固相合成的方法成功制备了LiCuxFe3-x(VO4)3(x=0.5，0.8，1，1.2，1.5和2)粉末材料，并以其作为锂离子电池的负极进行电化学性能测试。以LiCu1.2Fe1.8(VO4)3为负极的锂离子电池，在500mA·g-1的电流密度下，循环900圈后容量上升至705mAh·g-1，相比较于原始LiCuFe2(VO4)3在相同圈数下的1100mAh·g-1，容量上升量下降了28.6％。通过各个比例的循环对比，说明了Cu含量的适当提高，在一定程度上减缓了后期容量的上升。材料还具有优异的倍率性能，循环过程中存在容量先下降后上升的现象。 (2)借用非原位的XRD、TEM和SEM等手段对LiCu1.2Fe1.8(VO4)3的充放电机理进行了深入分析和研究。经研究发现在首圈放电过程中会有SEI膜的形成，同时LiCu1.2Fe1.8(VO4)3会析出Cu金属纳米颗粒造成结构缺陷，因此会导致初期充放电过程中容量骤降。随着充放电循环的进行，析出金属Cu纳米颗粒为体系提高电导率;材料不断被电化学活化，材料的尺寸减小接触面积增大，活性位点增多;还有凝胶膜的可逆形成分解提供赝电容，共同使得电极材料LiCu1.2Fe1.8(VO4)3的后期容量不断上升。 (3)利用沉淀法和模板法合成了Cu3V2O8空心球/MXene复合材料，并以其为锂离子电池负极，表现了良好的电化学性能。在500mA·g-1电流密度下循环200圈，Cu3V2O8空心球/MXene复合材料的比容量上升到340mAh·g-1，在2A·g-1的高电流密度下经过800圈循环后，容量仍然保持在389mAh·g-1。Cu3V2O8空心球在首次放电过程会与Li+反应生成Cu纳米颗粒和Li3VO4，后续循环中，Li+在Li3VO4的晶格中嵌入脱出完成放充电过程，Cu纳米颗粒包覆在材料表面与高电导率的MXene协同有助于提高复合材料的电化学性能。另外，可逆凝胶膜的赝电容行为为电极材料提供了额外的容量。
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