锂离子电池阴极材料磷酸亚铁锂合成方法及性能研究

论文摘要

橄榄石结构的LiMPO4 （M=Fe, Mn, Co, Ni）自从被Padhi等人提出可用于锂离子电池后,因其具有低成本、无毒性、优良的循环性能等优点,得到了学术界和产业界的广泛研究。但是纯相的LiMPO4极低的本征电子电导率、锂离子扩散系数和堆积密度严重影响了其电化学性能,并阻碍了它们的应用。针对纯相LiMPO4极低的电子电导率、离子扩散系数和堆积密度,广大研究者主要通过改进合成方法（主要包括球磨、水热、溶胶凝胶、沉淀法等）和包覆掺杂导电层（碳和金属颗粒包覆）和金属离子这两种途径来提高LiFePO4的电化学性能。本论文主要通过研究合成方法（水热法、电解法和共沉淀法）和优化合成工艺条件来改善LiFePO4的电化学性能,其主要突出点是用电解法成功合成了LiFePO4材料,另外还研究了其它两种湿法合成LiFePO4材料的工艺条件参数和电化学性能,并探讨了上述三种湿法制备出LiFePO4前躯体的组成成分。其主要研究内容和结论如下：1、采用水热法,以CTAB为诱导剂,探讨了不同锂盐（CH3COOLi·2H2O、LiCl、LiOH）为锂源对LiFePO4材料的晶体结构、形貌及电化学性能的影响。结果表明只有在以碱性LiOH为锂源和有CTAB为添加剂的条件下,所合成的LiFePO4材料才具有单一物相,其充放电性能也最好。这可能是由于所选择锂源的pH不同造成了制备出的前躯体成分不同,进而影响了所合成材料LiFePO4的纯度。另外在水热合成中,如果没有适量的还原性添加剂,LiFePO4前躯体中的Fe2+极易被氧化Fe3+2、采用电解法,探讨了连续电解的可能性,考察了电解液组成及pH值对所获前驱体性能的影响。结果表明当电解液中锂离子与磷酸根的摩尔比达到3或以上；电解过程中电解液pH维持在7.0±0.5时,由所获产物能够制备出具有橄榄石结构纯相的LiFePO4。因此,控制电解液pH值和电解液组成是制备纯相LiFePO4关键工艺参数。另外,通过对比电解法前驱体和化学法前驱体的结果可知,电解法制备出的前驱体实质上是Fe3（PO4）2·8H2O和Li3PO4的混合物。3、采用共沉淀法,以CTAB为络合剂,考察了在共沉淀水体系中,pH对所获前躯体纯度的影响。结果表明当pH偏酸时,制备出的LiFePO4材料中含有Fe3（PO4）2杂质相。当pH偏碱时,制备出的LiFePO4材料中含有Li3PO4杂质相。只有当pH维持在8.0±0.5时,才能合成纯相的LiFePO4。这主要是由于用共沉淀制备出的LiFePO4前躯体其实是Fe3（PO4）2·8H2O和Li3PO4共沉淀的混合物,经过煅烧按反应式Fe3（PO4）2·8H2O+Li3PO4→3LiFePO4+8H2O生成LiFePO4晶体。当pH偏酸时,Fe3（PO4）2·8H2O的K印小于Li3PO4的Ksp,进而造成Fe3（PO4）2·8H2O过量,反之,如果偏碱性时,则Li3PO4过量。为了进一步证实共沉淀前躯体混合物是Fe3（PO4）2·8H2O和Li3PO4,我们又用球磨法以Fe3（PO4）2·8H2O和Li3PO4为原料,在其摩尔比为1：1的条件下合成了单一物相的LiFePO4。其材料的比容量达到了由共沉淀法合成的材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池介绍
• 1.2.1 锂离子电池的结构及工作原理
• 1.2.2 锂离子电池特性
• 1.3 锂离子电池正极材料研究进展
• 2'>1.3.1 层状的LiMO₂
• 4研究现状'>1.4 橄榄石结构的LiFePO₄研究现状
• 4的结构及性质'>1.4.1 LiFePO₄的结构及性质
• 4的合成方法'>1.4.2 LiFePO₄的合成方法
• 4的改性方法'>1.4.4 LiFePO₄的改性方法
• 1.5 锂离子动力电池的产业化现状
• 1.6 选题背景及研究内容
• 第二章 实验药品及实验仪器
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 4的性能研究'>第三章 水热法合成LiFePO₄的性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料的合成
• 3.2.2 材料表征与测试
• 3.3 结果与讨论
• 4/C的物相分析'>3.3.1 不同条件下合成的LiFePO₄/C的物相分析
• 4/C的形貌分析'>3.3.2 LiFePO₄/C的形貌分析
• 4/C的充放电性能'>3.3.3 不同条件下合成的LiFePO₄/C的充放电性能
• 3.3.4 LFP-3的循环性能
• 3.4 结论
• 4前驱体'>第四章 电解法制备LiFePO₄前驱体
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 样品表征与测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 结论
• 4的性能研究'>第五章 共沉淀合成LiFePO₄的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 样品的制备
• 5.2.2 样品表征与测试
• 5.3 结果与讨论
• 4材料合成中pH优化选择'>5.3.1 LiFePO₄材料合成中pH优化选择
• 4的充放电性能'>5.3.2 LiFePO₄的充放电性能
• 4材料的循环性能'>5.3.3 LiFePO₄材料的循环性能
• 5.4 结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢