锂离子电池正极材料氟磷酸钒锂的合成及电化学性能研究

论文摘要

近年来,氟磷酸钒锂（LiVPO4F）因具有优异的热稳定性、高放电平台和较高的理论容量(156 mAh·g-1),被认为是一种具有巨大潜力的锂离子电池正极材料。然而,LiVPO4F较差的电导率导致其高倍率性能较差,从而限制了它的应用。本文针对LiVPO4F电导率低的缺点,通过改进合成方法及离子掺杂制备LiVPO4F/C及其掺杂LiVPO4F/C复合材料,提高LiVPO4F的电导率,从而提高LiVPO4F的电化学性能。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、循环伏安和充放电测试等测试技术,研究合成条件、掺杂铝量对LiVPO4F的结构及其电化学性能的影响,并优化合成条件,制备出电化学性能优异的LiV0.95Al0.05PO4F/C复合材料。以V2O5、NH4H2PO4、葡萄糖和LiF为原料,通过改变反应原料的混合方式,改善传统固相法原料混合不均匀的缺点,改进合成LiVPO4F/C复合正极材料的传统固相法制备工艺,并比较由改进固相法及传统固相法合成LiVPO4F/C复合材料的物理和电化学性能。结果表明,两种方法均可合成三斜结构的LiVPO4F及碳组成的复合正极材料,但改进固相法合成的LiVPO4F/C复合正极材料的放电比容量及循环性能均优于传统固相法合成的LiVPO4F/C复合材料。改进固相法合成的LiVPO4F/C复合正极材料的0.2C、0.5C和1C的放电比容量分别为133.7 mAh·g-1、124.9 mAh·g-1和118.7 mAh·g-1,而传统固相法合成的LiVPO4F/C复合正极材料相应倍率的放电比容量分别为131.2 mAh·g-1、121.4 mAh·g-1和104.9 mAh·g-1。以V2O5、H3PO4、柠檬酸和LiF为原料,通过溶胶凝胶法合成LiVPO4F/C复合正极材料并研究反应条件对复合材料电化学性能的影响,确定合成的最佳条件:V2O5、H3PO4和柠檬酸的摩尔比为1:2:2.4,700℃焙烧干凝胶6h合成VPO4/C,750℃焙烧VPO4/C与LiF混合物1h合成LiVPO4F/C复合正极材料。最佳条件下合成LiVPO4F/C的放电比容量及循环性能均高于由固相法合成的复合材料,溶胶凝胶法合成的LiVPO4F/C复合材料1C和5C充放电倍率的放电比容量分别为123.7 mAh·g-1和104.4 mAh·g-1。在溶胶凝胶法成功合成LiVPO4F/C的基础上,以V2O5、H3PO4、柠檬酸、硝酸铝和LiF为原料,通过溶胶凝胶法合成LiV1-xAlxPO4F /C（x=0.03, 0.05, 0.07）复合材料。测试结果表明,LiV1-xAlxPO4F/C的放电电压平台及循环性能随着掺杂铝量的增加而提高,放电比容量随着铝含量的增加而下降,其中LiV0.95Al0.05PO4F/C具有最高的能量密度,大电流充放电性能优于LiVPO4F/C复合材料,其5C放电比容量高达110 mAh·g-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.2.1 锂离子电池的结构
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理
• 1.2.3 锂离子电池的特点和存在的问题
• 1.3 锂离子电池正极材料的研究进展
• 1.3.1 过渡金属氧化物正极材料
• 1.3.2 聚阴离子型正极材料
• 4F 正极材料的研究进展'>1.4 氟磷酸钒锂LiVP0₄F 正极材料的研究进展
• 1.4.1 氟磷酸钒锂的结构与特点
• 1.4.2 氟磷酸钒锂的制备方法
• 4F 材料的缺点和改进的方法'>1.4.3 LiVP0₄F 材料的缺点和改进的方法
• 1.5 本论文研究的意义及内容
• 第2章 实验
• 2.1 主要实验仪器与药品
• 2.1.1 主要实验仪器
• 2.1.2 主要实验药品
• 2.2 实验方法
• 4F/C'>2.2.1 高温固相法制备LiVP0₄F/C
• 4F/C'>2.2.2 改进的固相法制备LiVP0₄F/C
• 4F/C'>2.2.3 溶胶凝胶法制备LiVP0₄F/C
• 1-xAl_xP0₄F/C'>2.2.3.1 溶胶凝胶法制备LiV_1-xAl_xP0₄F/C
• 4F 正极材料的表征'>2.3 LiVP0₄F 正极材料的表征
• 2.3.1 物相分析
• 2.3.2 形貌分析
• 2.3.3 热重分析
• 2.3.4 碳含量分析
• 2.4 扣式模拟电池的组装
• 2.5 材料的电化学性能测试
• 2.6 理论容量计算
• 4F/C 及其电化学性能研究'>第3章 改进的固相法制备LiVP0₄F/C 及其电化学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 3.3.2 扫描电镜（SEM）分析
• 3.3.3 电化学性能分析
• 3.4 本章小结
• 4F/C 及其电化学性能研究'>第4章 溶胶凝胶法制备LiVP0₄F/C 及其电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4F/C 复合材料的影响'>4.3.1 焙烧温度对LiVP0₄F/C 复合材料的影响
• 4F/C 复合材料的影响'>4.3.2 焙烧时间对LiVP0₄F/C 复合材料的影响
• 4F/C 复合材料的电化学性能影响'>4.3.3 柠檬酸含量对LiVP0₄F/C 复合材料的电化学性能影响
• 4F/C 复合材料的电化学性能测试'>4.3.4 优化条件合成LiVP0₄F/C 复合材料的电化学性能测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 铝掺杂改性研究
• 5.1 引言
• xV_1-xP0₄F/C 的合成'>5.2 LiAl_xV_1-xP0₄F/C 的合成
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 5.3.2 扫描电镜（SEM）分析
• xV_1-xP0₄F/C 的电化学性能分析'>5.3.3 LiAl_xV_1-xP0₄F/C 的电化学性能分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士期间发表的学术论文