锂离子电池正极材料磷酸铁锂的研究

论文摘要

随着能源与环境问题的日益突出以及现代科技的快速发展,对电池的性能提出了更高的要求。锂离子电池以其工作电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等特点而受到人们的重视和青睐。目前,商业化的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂。由于钴资源有限且对环境有害,钴酸锂价格较高,热稳定性和安全性能较差。因而研究开发成本低、环境友好、电化学性能好、安全性能佳的新型锂离子电池正极材料成为研究热点。磷酸铁锂具有原料来源广泛、价格低廉、热稳定性好、比能量高、循环性能好、安全性能突出及对环境无污染的特点。其理论容量为170 mAh/g,工作电压为3.45 V左右,是最具潜力的正极材料之一。然而,磷酸铁锂正极材料仍存在两个不足之处:一是其电导率低和离子扩散系数低。二是材料的堆积密度小。目前用来提高LiFePO4电化学性能的方法主要有三种:改进合成方法得到颗粒小且分布均匀的产物;掺杂导电剂,主要是掺杂碳或者金属粉末;掺杂金属离子,从本质上提高材料的导电性。本文采用了液相共沉淀法-碳热还原法合成出了体积比容量较高的球形LiFePO4材料,并采用XRD、SEM、TEM、CV等手段对材料进行表征,在不同条件下测试了材料的电化学性能。结果表明,550℃下锻烧10 h制得的样品表现出较好的电化学性能,0.1C的电流密度下首次放电比容量为141.8mAh/g。同时对材料的改性进行了研究,通过对碳源、掺碳量、以及掺碳方式的研究发现,使用过量5%葡萄糖作为碳源,在550℃下制得的材料综合性能较好,当采用0.1C放电时,其比容量达到154.6mAh/g。本文还将微波加热与液相共沉淀-碳热还原法相结合,制得的球形LiFePO4材料粒径在50200nm。用LiFePO4作正极材料进行了电池的充放电测试和循环伏安测试,结果显示,在0.5C下首次放电比容量达到129.7mAh/g,循环100次后,仍然可以保持在125.4 mAh/g,在50℃下,其首次放电容量为143.3mAh/g。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子二次电池概述
• 1.2.1 锂离子二次电池的发展历史
• 1.2.2 锂离子电池的组成和工作原理
• 1.2.3 锂离子电池的分类和特点
• 1.3 锂离子电池正极材料发展简介
• 2正极材料'>1.3.1 LiCoO₂正极材料
• 2正极材料'>1.3.2 LiNiO₂正极材料
• 1.3.3 尖晶石结构的锰酸锂
• 4'>1.3.4 橄榄石型结构的LiFePO₄
• 4正极材料的研究进展'>1.4 LiFePO₄正极材料的研究进展
• 4的结构和特点'>1.4.1 LiFePO₄的结构和特点
• 4正极材料的性能'>1.4.2 LiFePO₄正极材料的性能
• 4的合成与制备'>1.4.3 LiFePO₄的合成与制备
• 4材料的问题和解决途径'>1.5 LiFePO₄材料的问题和解决途径
• 1.5.1 问题的提出
• 1.5.2 途径的探索
• 1.6 本论文的主要工作内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验药品及仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 4材料的制备'>2.2 LiFePO₄材料的制备
• 2.2.1 液相共沉淀-碳热还原法
• 2.2.2 辅助微波加热的液相法
• 2.2.3 含碳量的测定
• 2.2.4 振实密度的测定
• 2.3 材料性能的表征方法
• 2.3.1 X-射线衍射
• 2.3.2 透射电镜
• 2.3.3 扫描电镜
• 2.3.4 电化学测试
• 4材料的性能研究'>第三章 液相法制备LiFePO₄材料的性能研究
• 3.1 水热合成法的研究
• 3.2 液相共沉淀-碳热还原法
• 3.2.1 反应物对生成前驱体的影响
• 3.2.2 溶液的pH值对生成前驱体的影响
• 4材料性能的影响'>3.2.3 烧结温度对合成LiFePO₄材料性能的影响
• 4材料性能的影响'>3.2.4 烧结时间对合成LiFePO₄材料性能的影响
• 4材料性能的影响'>3.2.5 预烧前驱体对合成LiFePO₄材料性能的影响
• 4材料性能的影响'>3.2.6 微波加热对合成LiFePO₄材料性能的影响
• 第四章 表面碳包覆的研究
• 4.1 不同碳源包覆对材料性能的影响
• 4.1.1 充放电性能的研究
• 4.1.2 材料的形貌表征
• 4.1.3 X-射线衍射分析
• 4.1.4 循环伏安分析
• 4.2 不同碳量包覆对材料性能的影响
• 4.2.1 能谱分析
• 4.2.2 扫描电镜测试对样品形貌的表征
• 4.2.3 透射电镜测试结果分析
• 4.2.4 X-射线衍射分析
• 4.2.5 充放电性能的研究
• 4.2.6 循环伏安分析
• 4.2.7 振实密度的测定
• 4.3 包覆方式对材料性能的影响
• 4.3.1 能谱分析
• 4.3.2 材料的形貌表征
• 4.3.3 充放电性能的研究
• 4材料的性能研究'>第五章 液相-微波复合法制备LiFePO₄材料的性能研究
• 5.1 对碳包覆的材料进行微波处理
• 5.1.1 充放电性能的研究
• 5.1.2 材料形貌的表征
• 5.1.3 X-射线衍射分析
• 5.2 对预烧前驱体制得的样品进行微波处理
• 5.3 对预烧混合料制得的样品进行微波处理
• 5.3.1 充放电性能的研究
• 5.3.2 高倍率性能测试
• 5.3.3 高寿命循环测试
• 5.3.4 高温条件下充放电性能的测试
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢