锂离子电池正极材料LiFePO4的制备与性能研究

论文摘要

自上世纪九十年代以来,锂离子电池得到了飞速发展。由于其高工作电压、高容量、高比能量和良好的循环性能,应用领域越来越广泛。随着能源危机的出现,锂离子动力电池也成为具有竞争力和发展前景的一类动力源。在整个锂离子电池体系中,正极材料的性能至关重要,价廉高能的新型锂离子电池正极材料的开发应用是锂离子电池发展的重要任务。而目前研究最多的几种正极材料,LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等均存在着不同的缺点而难以满足动力电池的需要。1997年报道了一种新型的橄榄石型结构LiFePO4用于锂离子电池正极材料。它具有较高的理论容量,良好的循环性能,丰富的原料来源,低廉的成本,良好的安全性能以及对环境友好等特性。然而,LiFePO4的缺点是具有低的电子电导率和低的锂离子迁移速度,严重影响了该种材料的放电倍率特性,限制了它在锂离子动力电池中的应用进程。本论文通过固相合成法制备制备LiFePO4材料。利用各种电化学测试手段,结合TG-DTA、XRD、SEM等分析技术,对材料的性能以及反应机理进行了研究。本次试验以草酸亚铁、磷酸氢二铵、碳酸锂为原料,依据TGA-DTA的结果,经过两步热处理,最终制备出LiFePO4材料。XRD分析结果表明,烧结温度在650℃以上可以得到纯晶相的LiFePO4。650℃制备的产物具有最好的电化学性能,在2.5～4.1V区间以0.1C充放电,首次放电容量可以达到89mA·h/g,循环20周后仍保持首次容量的95%。同时研究表明18h为最佳烧结保温时间,所制备的产物首次放电容量为91.1 mA·h/g,循环20周后仍保持首次容量的95%。通过掺杂制备了具有较好电化学性能的LiFePO4/C材料,交流阻抗测试结果表明LiFePO4/C的电导率比LiFePO4电导率有所提高。650℃下保温18h制备的LiFePO4/C材料在0.1C倍率下首次放电容量达到115 mA·h/g,循环20周后放电容量为111.5 mA·h/g,是初始放电容量的97%,表现出优良的循环性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池概况
• 1.2 锂离子电池负极材料研究进展
• 1.2.1 碳素材料
• 1.2.2 金属氧化物负极材料
• 1.2.3 合金材料
• 1.2.4 氮化物和磷化物
• 1.3 锂离子电池电解质的研究进展
• 1.3.1 液态有机电解液
• 1.3.2 聚合物电解质
• 1.4 含锂氧化物正极材料的研究进展
• 2'>1.4.1 层状化合物LiMO₂
• 2O₄'>1.4.2 尖晶石型LiM₂O₄
• 1.5 含锂磷酸盐正极材料研究进展
• 4 正极材料的研究现状'>1.5.1 LiFePO₄正极材料的研究现状
• 4（M = Mn, Co, Ni 等）的研究进展'>1.5.2 LiMPO₄（M = Mn, Co, Ni 等）的研究进展
• 1.6 论文选题依据和主要研究内容
• 第二章 实验仪器及材料分析测试方法
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 样品的结构及形貌测试
• 2.2.1 差热和热重分析（DTA 和TG）
• 2.2.2 X-射线衍射测试（XRD）
• 2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3 实验电池的组装及电化学性能测试
• 2.3.1 电极制备及扣式电池的组装
• 2.3.2 充放电性能测试
• 2.3.3 交流阻抗测试
• 4工艺研究'>第三章 高温固相合成法制备LiFePO₄工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 反应机理探讨
• 3.3 实验工艺设计
• 4 性能的影响'>3.4 反应温度对LiFePO₄性能的影响
• 3.4.1 反应温度对产物晶体结构的影响
• 3.4.2 反应温度对产物形貌的影响
• 3.4.3 充放电测试
• 3.4.4 循环性能测试
• 3.4.5 交流阻抗测试
• 4 性能的影响'>3.5 烧结时间对LiFePO₄性能的影响
• 3.5.1 烧结时间对产物形貌的影响
• 3.5.2 充放电测试
• 3.5.3 循环性能测试
• 3.5.4 交流阻抗测试
• 3.6 本章小结
• 4材料的掺杂改性研究'>第四章 LiFePO₄材料的掺杂改性研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料合成
• 4.3 性能测试
• 4.3.1 产物的晶体结构分析
• 4.3.2 形貌分析
• 4.3.3 充放电测试
• 4.3.4 循环性能测试
• 4.3.5 交流阻抗测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢