“V2O5微球正极材料的制备及其锂电性能研究”综合化学实验设计

曲群婷（苏州大学物理与光电、能源学部，江苏苏州 215006）

“V2O5微球正极材料的制备及其锂电性能研究”综合化学实验设计

曲群婷（苏州大学物理与光电、能源学部，江苏苏州 215006）

本文设计了一个综合化学实验“V2O5微球正极材料的制备及其锂电性能研究”，通过该实验的教学，可使学生掌握锂离子电池电极材料合成及结构表征的一般方法，并能掌握锂离子电池的组装、性能测试及数据分析等基本技能，从而培养学生的综合化学实验能力。

综合实验；实验设计；电极材料；合成；表征

综合化学实验是把基础化学的理论知识和各种实验技能、实验方法加以归纳、分析并相互渗透的一种有效的实验形式，其宗旨是要培养学生的综合实验技能，最大限度地锻炼学生灵活应用所学知识和独立从事科研的能力，也是在学生完成各基础课之后向毕业论文过渡的一门实验课。因此，为化学和应用化学专业高年级本科生开设综合实验，不仅可培养他们实际的动手能力和创新思维，做到理论与实践相结合，而且可培养他们进行科学研究的初级能力。近年来，越来越多的高校开设了综合化学实验课程［1-2］。

随着新能源如电动汽车、储能电站的蓬勃发展，人们对新能源材料也提出了更高的要求［3］。于是2009年，苏州大学增设了新能源材料专业。在新能源材料专业的实验教学改革和实践中不断探索，把培养学生的实践能力和探索精神、激发学生的创造力作为实验教学改革的基点，侧重培养学生基本操作技能、实践能力和创新能力。通过几年的实验教学实践，虽然取得了一定的成果，但同时也存在着一些不足之处。如：没有配套的实验教材、讲义和实验场地分散等，更重要的是没有适合本专业的综合化学实验。

鉴于此，笔者结合自己的科研情况，设计出一个新的综合实验“V2O5微球正极材料的制备及其锂电性能研究”［4］，该实验综合了电极材料的合成、结构分析表征及电化学性能研究等内容。通过该实验，学生可以练习电极材料的合成、材料分离、材料煅烧、锂离子电池的组装等基本操作技能，还可以学习SEM、XRD、电化学工作站等仪器的操作和数据分析等技能。总之，通过该实验的教学实施，能够帮助学生巩固已掌握的实验基础知识与技能，更可以培养学生综合运用知识的能力、分析问题和解决问题的能力，培养创新思维。

1 实验目的

（1）了解V2O5微球的制备方法和原理。

（2）了解V2O5正极材料的工作机理。

（3）掌握扣式锂离子电池正极的制备工艺和电池的装配流程。

（4）掌握锂离子电池正极电性能测试方法。

2 实验1原理

V2O5晶体具有典型的层状结构，可以让小分子或离子自由嵌入或脱出，同时不同价态钒氧化物之间具有良好的反应活性。当V2O5作为锂电池正极材料时，基于两个Li+离子的插入与脱出反应，其理论比容量可以达到294 mAh/g，其电极反应方程式如式（1）所示，理论比容量按照式（2）计算。

充电过程相反。

其中M为V2O5的分子量。

以金属锂为对电极和参比电极，V2O5电极为工作电极测试电池性能时，应首先进行放电（电压降低），也即让Li+嵌入V2O5层间，之后再进行充电（电压升高），使Li+从V2O5层间脱出。在放电过程中，随着Li+嵌入能可逆地形成不同相结构的LixV2O5（x＜0.01时为α相，0.35＜x＜0.7为ε相，x=1为δ相，1＜x＜2为γ相）。而当锂离子过量插入V2O5层间会不可逆地形成具有岩盐式结构的ω相LixV2O5（x=3），使其失去可逆的储存锂离子的能力。因此其理论可逆的储锂容量通常按照得到两个Li+（x=2）计算。

对于V2O5微球的合成，通过一种简单的、环保、低价的溶液沉淀法制备出V（OH）2NH2微球前驱体，该前驱体是由纳米薄片组装成的微球（见图1）。将其在空气中350oC下进行煅烧，使其转化为多级结构的V2O5微球（该多级结构利于锂离子的脱嵌反应），其电镜照片如图2所示。

3 仪器与试剂

3.1 实验仪器

磁力搅拌器、烧杯、表面皿、蒸发皿、马弗炉、鼓风干燥箱、离心机、镊子、玻璃板、天平、CHI660D电化学工作站、玛瑙研钵、充放电测试仪、手套箱

3.2 实验试剂

NH4VO3、1 mol·L-1of HCl、N2H4·H2O、蒸馏水、乙醇，Super-P、PVDF、NMP、铝箔、锂离子电池电解液。

图1 前驱体V（OH）2NH2和产物V2O5微球的形成及V2O5嵌锂示意图

图2 前驱体V（OH）2NH2和产物V2O5微球的SEM照片

4 实验步骤

4.1 V2O5微球正极材料的制备

4.1.1 称取0.468g NH4VO3（4 mmol）放入烧杯中，加入100 mL的蒸馏水，在磁力搅拌下加入2 mL浓度为1 mol L-1的盐酸溶液，使NH4VO3充分溶解。然后向上述溶液中逐滴滴入6 mL的N2H4·H2O（85%）。加毕，继续搅拌20分钟左右，溶液从黄色透明溶液转变为浑浊的灰色悬浊液，说明有前躯体（V（OH）2NH2）沉淀析出。

4.1.2 将所得悬浊液倒入离心管中，用离心机离心分离出沉淀，倒掉上层清液，并用蒸馏水洗涤所得沉淀三次，乙醇清洗一次。将其所得沉淀置于表面皿中，放入80oC的鼓风干燥箱中使其干燥，大约需要10分钟。

4.1.3 将干燥后的前躯体放入坩埚中，然后移入350oC的马弗炉中煅烧半个小时（或是使用酒精灯于蒸发皿中加热），待样品冷却至室温既得V2O5微球，并利用SEM对其形貌结构进行分析。

4.2 电极片的制备

4.2.1 将V2O5、导电剂Super P、和PVDF按照8/1/1的质量比在玛瑙研钵中研磨10分钟，然后滴加适量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）继续研磨20分钟，使其呈粘稠的浆状。

4.2.2 在纸巾上滴上几滴NMP，用其擦拭预先洗干净并且干燥的玻璃板，然后在上面平铺一块大小适中的铝箔，使铝箔吸附在玻璃板表面（注意铝箔亮面朝下，毛面朝上），并尽量避免铝箔下面有气泡存在。

4.2.3 将浆料倒在铝箔的一侧，用涂布机或用美工刀片使其均匀涂覆在铝箔表面。然后将玻璃板直接放入80oC的鼓风干燥箱中使其干燥大约需要10分钟。

4.2.4 取出电极膜，用直径为13mm的打孔器冲电极片，并用压片机将电极压平，称重电极片质量（减去13mm大小的铝箔的质量再乘以80%即可得到电极片上活性物质的质量）。

4.3 电池的组装

4.3.1 将烘干后的正极电极片、电池壳、隔膜等移至手套箱中。

4.3.2 以正极电极片为工作电极，金属锂片同时为对电极和参比电极，1 M LiPF6/EC+DMC为电解液，在手套箱中按照下图示组装成扣式电池。

4.3.3 把组装好的扣式电池移出手套箱，封口待用。

4.4 电池性能的测试

取一个电池测循环伏安，另一电池测充放电。循环伏安电压测试范围设为4.0V-2.0V，扫速为0.5 mV/s，设置两个循环。过程是先放电，后充电（见实验原理部分）。充放电测试电压范围设为4.0V-2.0V，电流密度设为300 mA/g（按照电极活性物质质量计算电流，设置充放电参数），先放电后充电，循环次数3次。

5 数据处理

5.1 从电脑中导出循环伏安和充放电测试数据，用Origin做出循环伏安图和充放电曲线。

5.2 讨论实验结果及曲线的意义。

6 思考题

6.1 V2O5作为锂离子电池正极的主要缺点会是什么？V2O5作为正极时，负极应该选用什么材料？

6.2 V2O5电极的工作电压范围为何通常设在4.0V-2.0V，而不选取4.0V-1.5V？

6.3 V2O5正极的测试为何需要先放电后充电？

6.4 正极的集流体为何使用金属铝箔？

［1］孙二军，刘阳，宋哲等.“卟啉化合物的合成、表征及性质研究”综合化学实验设计［J］长春师范学院学报（自然科学版），2013（32）：118-121.

［2］周学酬.扣式锂离子电池的制备及性能测试综合实验设计［J］实验室科学，2013（6）：14-16.

［3］李求忠，游东宏，陈巧平等.锂离子电池Ni-Sn-Sb合金负极材料的制备及其电性能研究［J］化工时刊，2010（24）：7-10.

［4］Shao Jie，Li Xinyong，Wan Zhongming et al.Low-Cost Syn⁃thesis of Hierarchical V2O5Microspheres as High-Performance Cathode for Lithium-Ion Batteries［J］ACS Applied Materials Inter⁃faces，2013（5）：7671-7675.