锂离子电池磷酸亚铁锂正极材料的新型改性研究

论文摘要

作为锂离子电池正极材料的首选材料,磷酸亚铁锂（LiFePO4）具有高比容量(170 mAh·g-1)、价格低廉和对环境友好等优点,成为锂离子电池材料研究领域的热点之一。本文采用新型导电碳材料对磷酸亚铁锂进行改性,主要做了以下工作:首先,采用细乳液聚合的原理,以原位聚合的方法成功制备了酚醛树脂包覆磷酸亚铁锂复合微球,该微球的粒径为50-80 nm。前驱体酚醛树脂经高温热解后形成聚并苯材料,聚并苯在磷酸亚铁锂颗粒表面形成完美的网络结构。电化学性能方面,聚并苯改性的磷酸亚铁锂放电过程中显示出稳定的电压平台3.4V。0.2C时比容量达到160 mAh·g-1,为理论容量的95%。其放电比容量在0.2、1.0、2.0、5.0、10C下分别为160、146、136、120和109 mAh·g-1。80个循环后,测试电池的比容量仍然可达到初始比容量的97%。良好的电化学性能主要取决于聚并苯本身较好的导电性以及完美的导电网络结构。其次,制备了石墨烯改性的磷酸亚铁锂电极材料。石墨烯作为新型的碳材料具有引人注目的高导电性,高比表面积(2630 m2·g-1)等特性,使其在电极材料的应用中有着光明的前景。本文采用Hummers法制备了氧化石墨,然后通过超声分散成功制备了氧化石墨烯,经进一步还原得到了石墨烯材料。制备的氧化石墨烯以及还原后的石墨烯,通过FTIR,XRD测试和SEM形貌表征,表明剥离效果及还原效果均较好。采用共沉淀法成功制备了结晶性良好的LiFePO4/石墨烯纳米复合正极材料。在此实验过程中,通过延长石墨的氧化时间,最终制备出剥离情况良好的石墨烯碳材料。LiFePO4/石墨烯复合材料也显示出了优异的电化学性能,呈现出平稳的放电电压平台。并且表现出良好的放电倍率特性。在2.5-4.2V电压范围内,0.1C倍率下首次放电容量155 mAh·g-1,1C时放电容量达140 mAh·g-1,5C时为122 mAhg-1。因而从本实验中可以得出,掺杂很少量的石墨烯（1.5wt%）就能大大改善磷酸亚铁锂的电化学性能。但是以石墨烯特别优异的导电性能以及较高的比表面积来说,得到的改性后的磷酸亚铁锂的电化学性能与理论值还有差距。这主要由于石墨的深度氧化,使得很多氧化基团不能被完全还原,另外,用强酸及强氧化剂氧化过程中不可避免的造成了石墨片层结构上的破坏。这些因素都导致了石墨烯的实际导电性能以及比表面积远远低于理论值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池概述
• 1.1.1 锂离子电池的结构
• 1.1.2 锂离子电池的特点
• 1.1.3 锂离子电池的工作原理
• 1.2 锂离子电池负极材料研究进展
• 1.3 正极材料发展概述
• 2'>1.3.1 LiCoO₂
• 2'>1.3.2 LiNiO₂
• 2O₄'>1.3.3 LiMn₂O₄
• 1.4 磷酸亚铁锂正极材料的研究进展
• 1.4.1 导电剂粒子掺杂/包覆改性
• 1.4.2 晶格掺杂
• 1.4.3 合成工艺的优化
• 1.4.4 磷酸亚铁锂的应用前景
• 1.5 二维碳材料石墨烯概述
• 1.5.1 石墨烯的结构特点
• 1.5.2 石墨烯的制备
• 1.5.3 石墨烯的应用
• 1.6 本论文的意义与主要研究内容
• 1.6.1 导电聚合物包覆磷酸亚铁锂的制备
• 1.6.2 石墨烯掺杂改性磷酸亚铁锂
• 第2章 细乳液聚合法制备聚并苯包覆磷酸亚铁锂微球材料
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 样品的制备
• 2.3 样品表征及性能测试
• 2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.3 酚醛树脂与磷酸亚铁锂复合材料的热失重分析（TGA）
• 2.3.4 电化学性能测试
• 2.4 结果与讨论
• 4/PAS复合材料的形貌分析'>2.4.1 LiFePO₄/PAS复合材料的形貌分析
• 2.4.2 热失重分析
• 4/PAS的电化学性能测试'>2.4.3 LiFePO₄/PAS的电化学性能测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 不同化学方法制备石墨烯材料
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验药品及试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验过程
• 3.3 样品表征
• 3.3.1 傅立叶转换红外光谱仪
• 3.3.2 扫描电子显微镜
• 3.3.3 X射线衍射分析（XRD）
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 FTIR测试
• 3.4.2 氧化石墨与氧化石墨烯的SEM分析
• 3.4.3 石墨、氧化石墨以及石墨烯的XRD谱图
• 3.5 本章小结
• 4纳米复合材料的制备'>第4章 石墨烯改性LiFePO₄纳米复合材料的制备
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验药品及试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验过程
• 4.3 样品表征及性能测试
• 4.3.1 透射电子显微镜（TEM）
• 4.3.2 模拟电池电化学性能测试
• 4.4 结果与讨论
• 4/石墨烯复合材料的形貌分析'>4.4.1 LiFePO₄/石墨烯复合材料的形貌分析
• 4.4.2 电化学性能测试
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录