锂离子电池正极材料LiFePO4的合成及碳复合

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、能量密度大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应和“绿色”环保等优点而成为可移动电源的首选。进一步提高电池性能和降低电极材料成本是锂离子电池发展和改进的主要方向。磷酸铁锂（LiFePO4）因其具有高的理论比容量（170 mAh/g）,约为3.5V的电压,较好的常温和高温稳定性,低廉的成本和优良的环保性能,成为下一代锂离子电池最有前途的正极材料。然而由于晶体结构的固有限制,LiFePO4具有极低的电子导电率,这己成为限制其应用的最大障碍。本文在详细评述了锂离子电池及其正极材料。在研究进展的基础上,选取橄榄石结构的LiFePO4为研究对象,对其合成和改性进行了详细研究。采用高温固相法制备LiFePO4,研究了合成条件对LiFePO4结构和电化学性能的影响。通过X射线衍射（X-Ray Diffraction,XRD）分析合成产物的晶型结构,扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）观察了材料的形貌,恒流充放电测试研究了合成材料的比容量。研究结果表明采用300r/min的球磨参数,焙烧温度为650℃,保温时间为8h时高温固相法制备的掺碳LiFePO4材料具有较好的结构和电化学性能,其首次充放电容量达122.6mAh/g（0.1C）。作为掺杂的碳源,有机碳源（葡萄糖）好于乙炔黑掺杂,采用二次球磨及快速升温工艺有助于合成材料颗粒的细化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 锂离子电池发展概述
• 1.2.1 锂离子电池发展简史
• 1.2.2 锂离子电池特点
• 1.2.3 锂离子电池的充放电模型
• 1.3 锂离子电池正极材料概述
• 1.3.1 锂离子电池正极材料的选择
• 1.3.2 钴（镍）系正极材料
• 1.3.3 锰系正极材料
• 1.3.4 钒系正极材料
• 1.3.5 铁系正极材料
• 1.4 铁系正极材料
• 1.4.1 磷酸铁锂的结构
• 1.4.2 磷酸铁锂的制备方法
• 1.4.3 磷酸铁锂的充放电机理
• 1.4.4 磷酸铁锂正极材料锂的嵌脱过程
• 1.4.5 导电剂掺杂包覆改性
• 1.4.6 首次充放电的容量损失
• 1.5 课题的研究内容和意义
• 2 实验材料与方法
• 2.1 实验主要原料
• 2.2 实验仪器设备
• 2.3 材料的合成方法
• 2.3.1 高温固相法合成样品
• 2.3.2 固相反应机理
• 2.3.3 磷酸铁锂的防氧化研究
• 2.3.4 电池的组装
• 2.4 材料的测试与表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜形貌分析
• 2.4.2 粉末 X 射线衍射分析
• 2.4.3 充放电性能测试
• 3 原料球磨工艺的优化
• 3.1 正交实验表及参数的选择
• 3.2 正交试验结果的统计分析
• 3.3 本章小结
• 4 反应体系选择及掺碳初步探讨
• 4.1 三价铁盐合成磷酸铁锂研究
• 4.1.1 材料粉晶的 X 射线衍射及表面形貌分析
• 4.1.2 小结
• 4.2 碳掺杂种类影响
• 4.2.1 材料的粉末 X 射线衍射及表面形貌分析
• 4.2.2 材料的电性能分析
• 4.2.3 小结
• 4.3 小结
• 5 焙烧合成工艺对材料性能的影响
• 5.1 锂铁磷加入比例对材料的影响
• 5.1.1 材料的 X 射线衍射分析
• 5.1.2 材料颗粒的形貌分析
• 5.1.3 材料的电性能分析
• 5.2 焙烧温度对合成反应的影响
• 5.2.1 材料的 X 射线衍射分析
• 5.2.2 材料的表面形貌分析
• 5.2.3 材料的电性能分析
• 5.2.4 小结
• 5.3 焙烧保温时间对材料的影响
• 5.3.1 材料的 X 射线衍射分析
• 5.3.2 材料的表面形貌分析
• 5.3.3 材料的电性能分析
• 5.3.4 小结
• 5.4 焙烧升温速率及程序对产物的影响
• 5.4.1 合成材料的物相及微观形貌分析
• 5.4.2 材料的电性能分析
• 5.4.3 小结
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间已发表的学术论文