锂离子电池新型正极材料LiFePO4的制备研究

论文摘要

橄榄石型磷酸亚铁锂（LiFePO4）作为新一代锂离子电池正极材料,具有理论比容量高（170mAh/g）,充放电电压适中（3.4V）,资源丰富,对环境无毒害,充放电过程中体积变化小（仅6.8%）,结构稳定,电化学性能和热稳定性好等优点,因此受到人们的广泛关注,被视为最具有潜力替代钴酸锂材料的新型锂离子正极材料。本文首先概述了锂离子二次电池的组成、原理及优缺点,介绍了锂离子电池正极材料及LiFePO4材料的研究进展,LiFePO4正极材料的结构、常用合成方法、市场现状及影响该材料电化学性能的主要因素:a、电子电导率较低(约10-9S/cm2),导致了其大倍率放电性能较差;b、Li+在固相中的扩散系数也较低,从而导致了较慢的固相反应动力学;c、振实密度低。然后,通过选用合适的碳源,优化合成工艺来得到粒径较小、分布均匀的类球形颗粒,提高材料的电导率,缩短Li+在固相中的扩散时间,合成更优性能的LiFePO4材料。具体如下:1、对目前商业样品进行测试分析,给出合理的性能评估,锁定实验目标。2、为了解决材料本身电子电导率差和扩散系数小的缺点,本文以葡萄糖为碳源,采用不同锂源和热处理条件合成LiFePO4/C正极材料,优选出性能较好的锂源,讨论较低温度条件合成LiFePO4/C正极材料,并对材料进行了结构、形貌和电性能的研究。3、为了进一步降低材料的成本,本文采用便宜的三价铁作为铁源,碳酸锂为锂源,通过掺入不同碳源一步碳热还原法合成高密度球形LiFePO4/C正极材料,并对其合成工艺进行优化,对材料的形貌和电性能进行表征,使放电比容量得到明显的提高。4、为了不断提高材料的电化学性能,制备高能量的LiFePO4材料,本文采用聚乙烯醇（PVA）造粒模板剂辅助两步固相法制备正极LiFePO4/C复合材料,并对其形貌和电化学性能进行了表征。5、尝试联合使用共沉淀控制结晶法-碳热还原法合成纳米级LiFePO4/C材料,以改善其电化学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 锂离子电池的发展及研究现状
• 1.1.2 锂离子电池的工作原理及分类
• 1.1.3 锂离子电池正极材料研究现状
• 1.1.4 锂离子电池正极材料的合成方法研究现状
• 1.2 选题依据及研究内容
• 1.2.1 选题依据
• 1.2.2 本论文的主要研究内容
• 1.2.3 本论文的创新点
• 第二章 商业化产品分析
• 2.1 前言
• 2.2 性能分析
• 2.2.1 SEM 微观形貌分析
• 2.2.2 XRD 结构分析
• 2.2.3 电化学性能分析
• 2.2.4 其它性能测试
• 2.3 结论
• 4／C 形貌及其电化学性能的影响'>第三章 不同锂源及煅烧温度对LiFePO₄／C 形貌及其电化学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料的合成
• 3.2.2 实验电池组装
• 4 材料合成、表征和性能测试仪器'>3.2.3 LiFePO₄材料合成、表征和性能测试仪器
• 4 材料的结果与讨论'>3.3.L iFePO₄材料的结果与讨论
• 4/C 样品的实验结果与讨论'>3.3.1 不同锂源制备LiFePO₄/C 样品的实验结果与讨论
• 4/C 复合材料的实验结果与讨论'>3.3.2 较低温度合成LiFePO₄/C 复合材料的实验结果与讨论
• 3.4 小结
• 4/C 复合材料'>第四章 PVA 辅助碳热还原法合成LiFePO₄/C 复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 材料的合成
• 4.2.2 实验电池组装
• 4 材料的分析表征'>4.2.3 LiFePO₄材料的分析表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 前躯体原料的TG/DSC 分析
• 4.3.2 不同碳源对其电性能的影响
• 4/C 的电化学性能'>4.3.3 PVA 辅助不同条件合成LiFePO₄/C 的电化学性能
• 4.3.4 不同煅烧条件对材料微观相结构的影响
• 4.3.5 不同煅烧时间和PVA 不同加入时间对材料微观形貌的影响
• 4.3.6 PVA 不同加入时间对材料不同倍率电性能的影响
• 4.4 小结
• 4/C 复合材料及其性能研究'>第五章 不同碳源控制结晶法制备纳米级LiFePO₄/C 复合材料及其性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 材料的合成
• 5.2.2 电池的组装
• 5.2.3 材料分析与表征
• 5.3 实验结果与讨论
• 4 的结构分析与表征'>5.3.1 前躯体FePO₄的结构分析与表征
• 4/C 复合材料的结果讨论与分析'>5.3.2 不同碳源合成LiFePO₄/C 复合材料的结果讨论与分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录