锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备及电化学性能

论文摘要

橄榄石型LiFePO4是近年来发展起来的一种锂离子电池正极材料,它的理论容量为170 mAh/g。LiFePO4具有价格便宜、环境友好、热稳定性好等优点而受到人们的广泛关注。本论文采用一种固液结合的方法制备LiFePO4/C复合正极材料。以磷酸取代磷酸二氢铵为主要磷源,磷酸属于液相物质,且成本低廉,这样可以使前期原料混合的更均匀,简化了生产工艺,降低生产成本。利用XRD、SEM、等技术对产物的微观结构和形貌进行了分析,并采用恒流充放电、循环伏安（CV）等技术测试其电化学性能。研究表明,采用碳包覆的方法能有效控制LiFePO4在合成过程中颗粒尺寸的长大,得到了细小均匀的晶粒尺寸,并且细小的碳颗粒紧密的包覆在材料的颗粒周围,能减小电极的反应电阻,降低材料的极化程度,提高材料的电化学性能。通过实验比较了不同的碳的前驱体的掺杂效果,包括乳糖、葡萄糖、蔗糖和水溶性淀粉,结果表明掺7.5%的乳糖得到的包覆效果最好,0.2C电流放电其比容量可达到146.9mAh/g。采用高温固相法合成出正极材料LiFePO4,样品在550℃700℃随着温度的升高材料颗粒逐渐减小,相应比容量增加,但是温度继续升高到800℃时,颗粒发生团聚,容量迅速衰减。700℃合成的正极材料LiFePO4具有合理的粒径和较窄的分布,所以具有最佳的电化学性能。研究了Fe2O3、Fe（OH）3、FeCrO4、Fe3O4作为铁源对合成LiFePO4的电化学性能的影响。实验证明,Fe2O3的电化学性能较好,在0.3mA/cm2的电流密度充放电时,具有146.9mAh/g的初始放电容量。研究了TiO2、Cu（CH3COO）2、ZrO2分别掺杂对合成LiFePO4的电化学性能的影响。研究表明,掺杂少量的Zr能使LiFePO4的电化学性能变差,而掺杂少量的Cu和Ti材料的循环和高倍率性能相应的得到了提高。采用固液结合方法合成LiFePO4,用部分H3PO4取代NH4H2PO4组成磷源合成材料,实验结果表明当n（H3PO4）:n（NH4H2PO4）为2:8时所制备材料具有最好的电化学性能,在0.3mA/cm2的电流密度充放电时,具有156.3mAh/g的初始放电容量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池简介
• 1.2.1 锂离子电池的发展历史
• 1.2.2 锂离子电池工作的基本原理
• 1.2.3 锂离子电池的结构
• 1.3 锂离子电池研究进展
• 1.3.1 锂离子电池电解质
• 1.3.2 锂离子电池隔膜
• 1.3.3 锂离子电池负极材料
• 1.3.4 锂离子电池正极材料
• 1.4 选题题依据和研究内容
• 2 实验
• 2.1 主要的化学试剂和实验设备
• 2.1.1 主要的化学试剂
• 2.1.2 实验设备
• 4/C 的合成工艺流程'>2.2 LiFePO₄/C 的合成工艺流程
• 2.3 材料制备
• 4/C'>2.3.1 不同葡萄糖配比合成LiFePO₄/C
• 2.3.2 不同温度下磷酸亚铁锂的制备
• 2.3.3 不同烧结时间条件下制备磷酸亚铁锂
• 4/C'>2.3.4 采用不同添加剂合成橄榄石型LiFePO₄/C
• 4/C'>2.3.5 采用不同铁源合成橄榄石型LiFePO₄/C
• 4/C'>2.3.6 合成掺杂的橄榄石型LiFePO₄/C
• 3PO₄和NH₄H₂PO₄混合制备LiFePO₄/C'>2.3.7 H₃PO₄和NH₄H₂PO₄混合制备LiFePO₄/C
• 2.4 实验电池的制备
• 2.5 材料的表征方法
• 2.6 电化学测试
• 2.6.1 循环伏安测试
• 2.6.2 恒流充放电
• 4/C 的合成及工艺优化'>3 LiFePO₄/C 的合成及工艺优化
• 4/C 材料的性能与结构'>3.1 初期合成的LiFePO₄/C 材料的性能与结构
• 3.1.1 充放电性能测试
• 4/C 性能的影响'>3.2 不同掺碳量对正极材料LiFePO₄/C 性能的影响
• 3.2.1 充放电性能测试
• 3.2.2 材料的结构分析
• 4/C 性能的影响'>3.3 不同焙烧温度对正极材料LiFePO₄/C 性能的影响
• 3.3.1 充放电性能测试
• 3.3.2 材料的结构分析
• 3.3.3 形貌分析
• 3.4 不同烧结时间对正极材料
• 3.4.1 充放电性能测试
• 3.4.2 循环伏安测试
• 4/C'>3.5 采用不同铁源合成橄榄石型LiFePO₄/C
• 3.5.1 充放电性能测试
• 3.5.2 循环伏安测试
• 3.6 本章小结
• 4 不同的碳前驱体及金属离子掺杂
• 4/C 性能的影响'>4.1 不同的碳前驱体掺杂对正极材料 LiFePO₄/C 性能的影响
• 4.1.1 充放电测试
• 4.1.2 材料结构分析
• 4.1.3 形貌分析
• 4/C 性能的影响'>4.2 不同金属离子掺杂对正极材料 LiFePO₄/C 性能的影响
• 4/C 电化学性能比较'>4.2.1 几种掺杂的 LiFePO₄/C 电化学性能比较
• 4.2.2 循环伏安测试
• 4.3 本章小结
• 4/C 及其性能研究'>5 固液磷源结合制备LiFePO₄/C 及其性能研究
• 5.1 材料的制备
• 5.2 充放电测试
• 5.3 材料的结构分析
• 5.4 形貌与粒度分析
• 5.5 循环伏安测试
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录