锂离子电池正极材料LiFePO4的合成及性能研究

论文摘要

橄榄石型的LiFePO4因具有比容量高、原料资源丰富、安全性好和环境友好等优点，被认为是最有应用潜力的新型锂离子电池正极材料。但是LiFePO4的电子电导率和锂离子传导率均较低，使其在高倍率充放电时容量偏低。因此为了推动这种材料的广泛应用必须对其进行改性研究，提高它的电子电导率和锂离子扩散能力。采用高温固相法，考察了合成过程中焙烧温度和焙烧时间对材料电化学性能的影响。研究表明，在600℃焙烧20h合成材料的电化学性能最好。利用金属铜对LiFePO4进行了表面修饰。非电解沉积法合成了LiFePO4／Cu复合正极材料。该材料具有比纯相LiFePO4更好的电化学性能。以0.1C倍率充放电，首次放电比容量可达139 mAh／g；以1.0C倍率充放电，在第40次循环过程中的放电比容量也有99mAh／g。利用碳对LiFePO4进行了表面修饰。以葡萄糖作为碳源，合成了LiFePO4／C复合正极材料。结果表明：引入碳元素后，材料仍然保持标准的橄榄石型LiFePO4的晶体结构；随着碳含量的增加，材料的电化学阻抗明显减小；其放电比容量、循环性能及大倍率充放电能力得到了显著改善。样品（d）的在0.C倍率下的放电比容量达140mAh／g。对LiFePO4进行了较为详细的镍离子铁位掺杂改性研究。结果表明，在所掺杂的范围内，材料均保持着橄榄石型LiFePO4的晶体结构。其充放电比容量均比未掺杂时明显提高。当掺杂量为0.05摩尔比时，材料具有最高的充放电比容量和最好循环性能，0.1C倍率下的放电比容量为131 mAh／g。对固相法进行了改性，在高温焙烧阶段采用真空气氛合成LiFePO4材料。实验结果表明，真空气氛下合成了单一的橄榄石型的LiFePO4，其电荷转移阻抗比氮气气氛下合成的LiFePO4低，电化学性能优于氮气气氛下合成的LiFePO4。以0.1C倍率充放电，首次放电比容量可达131mAh／g，即使以1.0C倍率充放电，首次放电比容量也达107 mAh／g。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 概述
• 1.2 锂离子电池的发展历史
• 1.3 锂离子电池的组成与工作原理
• 1.4 锂离子电池正极材料的研究进展
• 1.4.1 锂离子电池正极材料的选择原则
• 1.4.2 锂钴氧化物
• 1.4.3 锂镍氧化物
• 1.4.4 锂锰氧化物
• 1.4.5 锂钒氧化物
• 1.4.6 橄榄石型磷酸铁锂化合物
• 1.5 本论文的主要研究目的和内容
• 1.6 本论文的创新之处
• 第2章 实验药品与设备及方法
• 2.1 主要化学试剂
• 2.2 主要实验设备
• 2.3 模拟电池的装配
• 2.4 材料的物理性能表征
• 2.5 材料的电化学性能测试
• 2.6 本章小结
• 4的研究'>第3章 高温固相法合成LiFePO₄的研究
• 3.1 概述
• 3.2 材料的制备
• 3.2.1 焙烧温度的选择
• 3.2.2 焙烧时间的选择
• 4的性能'>3.3 优化条件下合成LiFePO₄的性能
• 3.3.1 材料的结构
• 3.3.2 材料的形貌分析
• 3.3.3 材料的电化学性能研究
• 3.4 本章小结
• 4的表面改性'>第4章 LiFePO₄的表面改性
• 4.1 概述
• 4的表面改性'>4.2 铜对LiFePO₄的表面改性
• 4/Cu复合材料的制备'>4.2.1 LiFePO₄/Cu复合材料的制备
• 4.2.2 材料的结构分析
• 4.2.3 材料的形貌分析
• 4.2.4 材料的电化学性能研究
• 4的表面改性'>4.3 碳对LiFePO₄的表面改性
• 4/C材料的制备'>4.3.1 LiFePO₄/C材料的制备
• 4.3.2 材料的结构分析
• 4.3.3 材料的形貌分析
• 4.3.4 材料的电化学性能研究
• 4.4 本章小结
• 2+体相掺杂改性LiFePO₄'>第5章 Ni²⁺体相掺杂改性LiFePO₄
• 5.1 概述
• 2+掺杂LiFePO₄的制备'>5.2 Ni²⁺掺杂LiFePO₄的制备
• 4的结构分析'>5.3 掺杂LiFePO₄的结构分析
• 4的形貌分析'>5.4 掺杂LiFePO₄的形貌分析
• 4的电化学性能研究'>5.5 掺杂LiFePO₄的电化学性能研究
• 5.6 本章小结
• 4及电化学性能'>第6章 真空煅烧合成LiFePO₄及电化学性能
• 6.1 概述
• 6.2 材料的制备
• 6.3 样品的物相及形貌分析
• 6.4 电化学性能研究
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间获得的成果