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锂离子电池正极材料磷酸铁锂的合成及性能研究

2020-11-29阅读(1061)

锂离子电池正极材料磷酸铁锂的合成及性能研究

论文摘要

随着能源和环境问题的日益突出,清洁能源的使用正受到广泛关注,这对二次电源提出了更高的要求。锂离子电池作为目前具有高比能量的新型绿色二次电源体系,一直是研究者关注的重点,但锂离子电池的安全问题制约了其在动力电池领域的发展。作为锂离子电池的正极材料,磷酸铁锂可极大改善这一电池体系的安全性能。而且,该材料具有循环寿命长、资源丰富、环境友好等特点,是动力型锂离子电池正极材料的理想选择。然而较低的电子电导率和锂离子扩散系数影响了磷酸铁锂材料大倍率输出性能。针对磷酸铁锂材料的这些问题开展了较系统的研究,主要结果如下:1.采用水热法合成LiFePO4材料,控制水热反应的温度,合成的纳米级颗粒结构较多,比表面积为23m2/g,0.1C放电比容量达到169 mAh/g,0.5C时为161mAh/g,1C放电比容量为138 mAh/g。当升高反应温度时,材料的粒径大幅增加,比表面积降低明显,0.1C放电比容量仅为64mAh/g。降低反应温度时,合成材料呈片状结构,粒径增大,0.1C放电比容量为98 mAh/g。2.采用水热法合成LiFePO4材料,可控制水热反应的时间,在优化条件下合成样品的比表面积为35 m2/g,电子电导率为9.34×10-4Scm-1,在0.1C时的放电比容量为150mAh/g,1C时为134 mAh/g。3.研究了在水热模板法合成LiFePO4材料中,表面活性剂对合成纳米颗粒LiFePO4材料的作用。表面活性剂在LiFePO4的制备中,在溶液中形成纳米级的胶团,提供纳米级的反应器,可以有效的控制LiFePO4颗粒的生长,合成不同颗粒尺寸的LiFePO4材料。最小的颗粒只有数十纳米,0.1C、1C、2C、5C的放电比容量分别为150 mAh/g、140 mAh/g、125 mAh/g、99 mAh/g,材料倍率性能优异。4.采用固相法合成LiFePO4材料,讨论了不同球磨介质对LiFePO4/C材料的影响,因为包覆碳源为有机物,在乙醇中的溶解度比在水中要好,使用乙醇更有利于样品的混合,用乙醇做介质制备样品的性能要好于使用水做介质所合成的样品,以0.1C倍率放电时样品的比容量可达到115mAh/g,1C倍率放电时比容量下降为88 mAh/g,用水做介质合成的样品在0.1C时,比容量为97 mAh/g,1C时只有70 mAh/g。5.在固相合成中,讨论了Fe3+和Fe2+两种Fe源对LiFePO4/C材料的影响,采用Fe2+源的样品在1C时的放电比容量达到102 mAh/g,高于采用Fe3+源样品的97 mAh/g,虽然两者的粒径都在亚微米级,但是采用Fe2+源样品的颗粒更均匀。此外,在使用Fe3+作为原料的时候,要将其还原成Fe2+,在试验中这个过程不充分,仍有部分Fe3+存在,导致其可反应的活性物质减少,影响电化学性能。6.在固相合成中,使用CTAB和PEG作为包覆碳源。两个样品在1C放电时,采用CTAB的样品放电比容量为87 mAh/g,使用PEG的样品比容量为102mAh/g,使用PEG做碳源制备的LiFePO4/C材料电化学性能要优于使用CTAB做碳源制备的材料。

论文目录

  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 锂离子电池概述
  • 1.2.1 锂离子电池的发展历史
  • 1.2.2 锂离子电池的结构和工作原理
  • 1.3 锂离子电池正极材料的发展简介
  • 2'>1.3.1 LiCoO2
  • 2'>1.3.2 LiNiO2
  • 1.3.3 锂锰氧化物
  • 1.3.4 三元材料
  • 1.4 磷酸铁锂简介
  • 1.5 磷酸铁锂的问题和解决途径
  • 1.6 本文的研究起因和设想
  • 参考文献
  • 第二章 实验仪器和方法
  • 2.1 本文中使用的实验试剂
  • 4的制备方法'>2.2 正极材料LiFePO4的制备方法
  • 2.2.1 水热合成法
  • 2.2.2 固相合成法
  • 2.3 实验电池的组装
  • 2.3.1 扣式电池的组装
  • 2.3.1.1 电极的制备
  • 2.3.1.2 扣式电池的组装
  • 2.4 正极材料的表征及测试方法
  • 2.4.1 正极材料物理化学性质测试
  • 2.4.1.1 粒度分布、电导率测试
  • 2.4.1.2 X—射线衍射测试
  • 2.4.1.3 扫描电子显微镜（SEM）测试
  • 2.4.1.4.氮气吸脱附测试（BET）
  • 2.4.2 正极材料电化学性能测试
  • 参考文献
  • 4材料的水热模板合成及表征'>第三章 LiFePO4材料的水热模板合成及表征
  • 4性能的影响'>3.1.反应温度对LiFePO4性能的影响
  • 4/C材料的水热模板法制备'>3.1.1 LiFePO4/C材料的水热模板法制备
  • 4/C材料的XRD和形貌表征'>3.1.2 LiFePO4/C材料的XRD和形貌表征
  • 3.1.3 电化学性能
  • 3.1.4 小结
  • 4/C材料性能的影响'>3.2 反应时间对LiFePO4/C材料性能的影响
  • 4/C材料的制备'>3.2.1 LiFePO4/C材料的制备
  • 4/C材料的XRD和形貌表征'>3.2.2 LiFePO4/C材料的XRD和形貌表征
  • 3.2.3 电化学性能
  • 3.2.4 小结
  • 4/C材料性能的影响'>3.3 表面活性剂对LiFePO4/C材料性能的影响
  • 4/C材料的制备'>3.3.1 LiFePO4/C材料的制备
  • 4/C材料的XRD和形貌表征'>3.3.2 LiFePO4/C材料的XRD和形貌表征
  • 3.3.3 电化学性能
  • 3.3.4 小结
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 4材料的固相合成法和表征'>第四章 LiFePO4材料的固相合成法和表征
  • 4/C材料的影响'>4.1 不同介质对LiFePO4/C材料的影响
  • 4/C材料的制备'>4.1.1 LiFePO4/C材料的制备
  • 4/C材料的XRD和形貌表征'>4.1.2 LiFePO4/C材料的XRD和形貌表征
  • 4.1.3 电化学性能
  • 4.1.4 小结
  • 4/C材料性能的影响'>4.2 不同价态Fe源对LiFePO4/C材料性能的影响
  • 4/C材料的制备'>4.2.1 LiFePO4/C材料的制备
  • 4/C材料的XRD和形貌表征'>4.2.2 LiFePO4/C材料的XRD和形貌表征
  • 4.2.3 电化学性能
  • 4.2.4 小结
  • 4/C材料的影响'>4.3 不同碳源对LiFePO4/C材料的影响
  • 4.3.1 不同种类碳源对LiFePO4/C材料性能的影响
  • 4/C材料的制备'>4.3.1.1 LiFePO4/C材料的制备
  • 4.3.1.2 LiFePO4/C材料的XRD和形貌表征
  • 4.3.1.3 电化学性能
  • 4.3.1.4 小结
  • 4/C材料性能的影响'>4.3.2 不同分子量的PEG对LiFePO4/C材料性能的影响
  • 4/C材料的制备'>4.3.2.1 LiFePO4/C材料的制备
  • 4/C材料的XRD和形貌表征'>4.3.2.2 LiFePO4/C材料的XRD和形貌表征
  • 4.3.2.3 电化学性能
  • 4.3.2.4 小结
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 结论
  • 攻读硕士学位论文期间的主要论文和成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

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