水热法合成磷酸铁锂正极材料的研究

论文摘要

锂离子电池是采用含有锂元素的的材料作为电极的电池,它是现代高性能电池的代表。锂离子电池具有电压高、比容量大、循环性能好、安全性能高而且能够快速充电等优点,因此它广泛应用于数码相机、手机、笔记本、人造卫星、军事设施以及电动汽车。橄榄石结构的磷酸铁锂是一种新型锂离子电池材料,理论容量高达170mAh/g,其特点是:热稳定性高、价格低廉,无毒性、不造成环境污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜、寿命长等优点,是新一代锂离子电池的理想正极材料。然而磷酸铁锂本身具有一些局限性,在磷酸铁锂的充放电过程中,由于晶体中PO43-限制了Li+的移动空间,使得Li+在材料中的嵌、脱过程只具有二维可移动性,所以磷酸铁锂的电子导电率和离子迁移率较差,在大电流放电的条件下,会有较大的容量损失,这阻碍了其在大功率动力电池中的发展。针对磷酸铁锂固有的局限性,本文通过改善工艺合成以及添加活性剂来提高磷酸铁锂的电化学性能。本文以FeSO4·7H2O,H3PO4和LiOH·H2O为原材料采用水热合成的方法合成了性能较好的磷酸铁锂粉体材料,并以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为碳源对磷酸铁锂进行碳包覆,获得了纳米级LiFePO4/C材料,并提高了材料的电子电导率和离子迁移率,促进了LiFePO4在动力电池中的研发进程。所得到的一些研究结果如下所述:1.通过水热合成,并且添加适量的还原剂抗坏血酸来防止Fe2+的氧化,得到了晶粒分布均匀的LiFePO4样品。此外通过改变工艺合成,即改变合成温度和保温时间,来研究合成温度和保温时间对LiFePO4组织与性能的影响,最终发现在190℃保温5小时条件下制取的样品较好。然后对其中一些较好的样品进行碳包覆（与葡萄糖按一定比例混合,煅烧）,得到了晶粒较小、分布均匀的LiFePO4/C材料。2.以CTAB为表面活性剂对其进行碳包覆,研究了不同活性剂添加量对磷酸铁锂性能的影响,并发现适当增加CTAB的添加量,有利于制取分散性好,杂质含量低的纳米晶粒的LiFePO4。CTAB不仅作为表面活性剂,也可以作为碳源,可以得到导电性较好的LiFePO4纳米粉体。结果表明添加6克CTAB的样品电化学性能最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIFT OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 Introduction
• 1.2 The overview of Lithium ion battery
• 1.2.1 The development of lithium ion battery
• 1.2.2 The structure and principle of lithium ion battery
• 1.2.3 The types of lithium ion batteries
• 1.2.4 The features of lithium ion battery
• 1.2.4.1 The advantages of lithium ion battery
• 1.2.4.2 The disadvantages of lithium ion battery
• 1.2.4.3 The maintenance of lithium ion battery
• 1.2.5 Materials of lithium ion batteries
• 1.2.5.1 Electrolyte
• 1.2.5.2 Anode
• 1.2.5.3 Cathode
• 4'>1.3 The overview of LiFePO₄
• 4'>1.3.1 The structure of LiFePO₄
• 4'>1.3.2 The electrochemical performance of LiFePO₄
• 1.3.3 Material synthesis
• 1.3.3.1 Solid-state synthesis
• 1.3.3.2 Co-precipitation method
• 1.3.3.3 Microwave processing
• 1.3.3.4 Sol-gel method
• 1.3.3.5 Oxidation-reduction method
• 1.3.3.6 Hydrothermal synthesis
• 4'>1.3.4 The features of LiFePO₄
• 4'>1.3.4.1 The advantages of LiFePO₄
• 4'>1.3.4.2 The obstacles of LiFePO₄
• 4'>1.3.5 The modification of LiFePO₄
• 1.4 The object of this paper
• CHAPTER 2 EXPERIMENTAL METHODS
• 2.1 Experimental Materials
• 2.2 Material synthesis
• 2.2.1 Summary of hydrothermal synthesis
• 4 material'>2.2.2 Synthesis of LiFePO₄material
• 4/C material'>2.2.3 Synthesis of LiFePO₄/C material
• 2.2.3.1 Using glucose as carbon source
• 2.2.3.2 Using CTAB as carbon source
• 2.3 Materials characterization and measurements
• 2.3.1 X-ray diffraction （XRD）
• 2.3.2 Raman spectrum
• 2.3.3 FT-IR spectroscopy
• 2.3.4 Scanning Electron Microscope （SEM）
• 2.3.5 BET Surface Area Measurements
• 2.3.6 Thermogravimetric analysis （TGA）
• 2.3.7 Electrochemical tests
• CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION
• 4 material'>3.1 Characterization of LiFePO₄material
• 3.1.1 The influence of ascorbic acid to the structure and morphology of samples
• 3.1.1.1 XRD Analysis
• 3.1.1.2 SEM Analysis
• 3.1.2 The influence of heating temperature to the structure and morphology of samples
• 3.1.2.1 XRD and Raman Analysis
• 3.1.2.2 FT-IR Analysis
• 3.1.2.3 SEM Analysis
• 3.1.2.4 BET Analysis
• 4'>3.1.2.5 Thermo gravimetric analysis of LiFePO₄
• 3.1.3 The influence of holding time to the structure and morphology of samples
• 3.1.3.1 XRD and Raman Analysis
• 3.1.3.2 SEM Analysis
• 4/C material'>3.2 Characterization of LiFePO₄/C material
• 3.2.1 Using glucose as carbon sources
• 3.2.1.1 XRD and Raman Analysis
• 3.2.1.2 SEM Analysis
• 3.2.1.3 Electrochemical Tests
• 3.2.2 Using CTAB as carbon source
• 3.3.2.1 XRD and Raman Analysis
• 3.3.2.2 SEM and EDS Analysis
• 3.3.2.3 BET Analysis
• 3.3.2.4 Thermo gravimetric Analysis
• 3.3.2.5 Electrochemical Tests
• 3.3 Conclusion
• CHAPTER 4 CONCLUSION
• 4.1 Conclusion
• 4.2 Prospect
• REFERENCES