锂离子电池正极材料磷酸铁锂的复合改性研究

论文摘要

橄榄石结构的LiFePO4因其较高比容量、对环境友好、循环性能理想、安全性能好、成本低廉等优点而成为最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料。然而,低的锂离子扩散系数和电子电导率,使得LiFePO4在大倍率充放电时比容量迅速下降,而阻碍了其进一步实用化。而传统的改性方法碳包覆不仅会降低正极材料的体积能量密度,而且也会阻碍锂离子的迁移与扩散。因此,为了提高LiFePO4的倍率性能、克服碳包覆给LiFePO4的能量密度所带来的负面影响,本文在引入石墨烯的基础上对于LiFePO4进行复合改性。（一）利用两步法合成了掺杂Ni的磷酸铁锂/石墨烯复合材料,并用XRD、SEM和TEM等手段对LiFePO4石墨烯的物相结构和形貌进行表征,用循环伏安法与恒流循环充放电测试样品的电化学性能。研究结果表明,合成的LiFe0.95Ni0.05PO4/石墨烯复合材料具有优异的电化学性能,该样品在0.1C,1C和5C倍率下的首次放电比容量分别为147.2,128.0和89.5mA-h/g,循环20次后的放电比容量均无明显衰减。（二）通过溶剂热原位合成法制备了C-LiFePO4/石墨烯复合材料,电化学测试表明这种正极材料具有良好的电化学性能,尤其是倍率性能十分理想。这是由于C-LiFePO4呈纳米棒状结构,石墨烯片层和热解碳发挥协同作用,两者共同构成的导电网络为LiFePO4提供了良好的电子传输和离子散的通道,不但提高了LiFePO4的导电性能,也使得锂离子能够在活性材料中快速迁移。C-LiFePO4/石墨烯复合材料在0.1,1,10,50和100C充放电倍率下的可逆比容量分别为162.8,140.3,109.2,77.5和59.0 mAh/g。本实验仅仅加入了很少量的石墨烯,所以也不会影响复合材料的体积能量密度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.3 锂离子电池正极材料概述
• 4的研究进展'>1.4 正极材料LiFePO₄的研究进展
• 4的简介'>1.4.1 正极材料LiFePO₄的简介
• 4的合成方法'>1.4.2 正极材料LiFePO₄的合成方法
• 4的改性方法'>1.4.3 正极材料LiFePO₄的改性方法
• 1.4.3.1 表而修饰
• 1.4.3.2 离子掺杂
• 1.4.3.3 形貌粒度控制
• 1.4.3.4 复合改性
• 1.5 石墨烯的研究进展
• 1.5.1 石墨烯简介
• 1.5.2 石墨烯应用于锂离子电池的研究进展
• 1.6 本论文的研究思路及研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 材料的形貌与结构表征
• 2.2.1 X射线衍射分析
• 2.2.2 拉曼光谱
• 2.2.3 扫描电子显微镜
• 2.2.4 透视电子显微镜
• 2.2.5 选区电子衍射分析和高分辨率透视电子显微镜
• 2.2.6 原子力显微镜
• 2.2.7 X射线光电子能谱分析
• 2.3 材料电化学性能测试
• 2.3.1 扣式电池组装
• 2.3.2 恒流循环充放电测试
• 2.3.3 循环伏安法
• 2.3.4 交流阻抗测试
• 2.3.5 电子导电率测试
• 2.4 实验合成过程
• 第三章 石墨烯包覆与镍掺杂对磷酸铁锂的复合改性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程设计与分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氧化石墨与石墨烯的表征
• 0.95Ni_0.05PO₄/石墨烯的表征'>3.3.2 LiFe_0.95Ni_0.05PO₄/石墨烯的表征
• 3.4 本章小结
• 第四章 碳包覆磷酸铁锂/石墨烯的合成研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程设计与分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢