不同铁源高温固相法合成的磷酸亚铁锂性能研究

论文摘要

橄榄石型结构的LiFePO4材料由于其具有理论容量高(170 mAh·g-1),循环性能好,原料丰富,热稳定性好,环境友好等优点,引起了研究者的广泛关注,被认为是最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料。但LiFePO4的电子导电率低和锂离子扩散速度慢,不适于大电流放电,影响了该材料的实用化。高温固相法是目前最适于大规模工业化生产LiFePO4的方法,目前该方法采用的铁源均是价格比较昂贵的二价铁盐,成本较高,限制了其工业化应用。本文采用价格比较低廉的三价铁盐作为铁源,通过改进的高温固相法制备出了LiFePO4/C材料。研究了不同铁源、不同锂源和不同的蔗糖加入量对产物LiFePO4结构、形貌及电化学性能的影响。通过X射线衍射（X-Ray Diffraction）分析了产物的结构晶型,扫描电镜（Scanning Electron Microscope）观察了材料的形貌,恒流充放电测试研究了材料的比容量和循环性能,循环伏安（Cyclic Voltammogram）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscope）简单分析了材料的电化学反应机理。研究结果表明,以硝酸铁为铁源,氢氧化锂为锂源,蔗糖为碳源（相对产物质量为60mass%）和磷酸二氢铵混合,650℃烧结18 h制备的LiFePO4/C样品放电比容量可稳定维持在120 mAh·g-1（放电倍率为0.2C）左右,0.5C倍率放电时放电比容量可稳定在105mAh·g-1左右,振实密度为1.0779 g·cm-3;以磷酸铁为铁源,氢氧化锂、蔗糖（相对产物质量为60mass%）相混合,650℃烧结18h制备的样品放电比容量为120mAh·g-1（放电倍率为0.2C）左右,0.5C倍率放电时放电比容量为95mAh·g-1左右,振实密度为1.0241g·cm-3。XRD测试结果证实,所有合成样品的主要晶相均为橄榄石结构的LiFePO4,蔗糖分解产生的碳以无定型的形式存在于样品中。SEM结果再次证明了样品中碳的存在,同时表明碳的存在对于控制样品晶粒的过度生长和改善样品的微观形貌具有积极作用。两种样品的振实密度、电导率和粒度随蔗糖加入量（相对产物质量分别为40mass%、60mass%和80mass%）的变化规律分别是减小、增加和减小。

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 锂离子电池的发展历程
• 1.2.2 锂离子电池的结构和工作原理
• 1.3 锂离子电池正极材料研究概况
• 2 正极材料'>1.3.1 LiCoO₂正极材料
• 2 正极材料'>1.3.2 LiNiO₂正极材料
• 1.3.3 Li-Mn-O 系正极材料
• 4 研究概况'>1.4 锂离子电池正极材料LiFePO₄研究概况
• 4 的结构'>1.4.1 LiFePO₄的结构
• 4 的充放电机理'>1.4.2 LiFePO₄的充放电机理
• 4 的制备方法'>1.4.3 LiFePO₄的制备方法
• 4 的改性研究'>1.4.4 LiFePO₄的改性研究
• 4 的铁源'>1.4.5 合成LiFePO₄的铁源
• 1.5 课题研究的目的意义及研究内容
• 第2章 实验材料与试验方法
• 2.1 实验原材料
• 2.2 实验仪器设备
• 2.3 材料的制备
• 4/C 材料'>2.3.1 高温固相法制备LiFePO₄/C 材料
• 4/C 材料'>2.3.2 改进的高温固相法制备LiFePO₄/C 材料
• 4/C 材料的基本原理'>2.3.3 合成LiFePO₄/C 材料的基本原理
• 2.4 材料的物理测试与表征
• 2.4.1 XRD 结构分析
• 2.4.2 SEM 形貌分析
• 2.4.3 振实密度分析
• 2.4.4 电导率测定
• 2.4.5 粒度分析
• 2.4.6 碳含量测定
• 2.5 电池制备及电化学测试
• 2.5.1 电池的装配
• 2.5.2 充放电性能测试
• 2.5.3 循环伏安曲线测试
• 2.5.4 电化学阻抗谱测试
• 4/C 材料的工艺研究'>第3章 不同铁源制备LiFePO₄/C 材料的工艺研究
• 3.1 不同铁源的合成工艺
• 2O₃为铁源合成LiFePO₄/C'>3.1.1 以Fe₂O₃为铁源合成LiFePO₄/C
• 3）₃·9H₂O 为铁源合成LiFePO₄/C'>3.1.2 以Fe（NO₃）₃·9H₂O 为铁源合成LiFePO₄/C
• 4·2H₂O 为原料合成LiFePO₄/C'>3.1.3 以FePO₄·2H₂O 为原料合成LiFePO₄/C
• 3.2 不同工艺合成样品的XRD 结构分析
• 3.2.1 不同铁源合成样品的XRD 分析
• 3.2.2 不同锂源合成样品的XRD 分析
• 3.2.3 不同温度合成样品的XRD 分析
• 3.3 合成样品的微观形貌
• 3.3.1 不同铁源合成样品的微观形貌
• 3.3.2 不同锂源合成样品的微观形貌
• 3.3.3 不同蔗糖加入量合成样品的微观形貌
• 3.4 合成样品的其它性能表征
• 3.4.1 合成样品的振实密度
• 3.4.2 合成样品的电导率
• 3.4.3 合成样品的粒度分析
• 3.4.4 合成样品的碳含量
• 3.5 本章小结
• 4/C 材料的充放电性能研究'>第4章 LiFePO₄/C 材料的充放电性能研究
• 4.1 不同碳源对合成样品的影响
• 4.2 不同烧结温度对合成样品的影响
• 4.3 不同铁源对合成样品的影响
• 4.4 不同锂源对合成样品的影响
• 4.5 不同碳含量对合成样品的影响
• 4.6 本章小结
• 4/C 材料的电化学性能研究'>第5章 LiFePO₄/C 材料的电化学性能研究
• 4/C 样品的循环伏安行为研究'>5.1 LiFePO₄/C 样品的循环伏安行为研究
• 5.1.1 不同铁源合成样品的循环伏安行为
• 5.1.2 不同锂源合成样品的循环伏安行为
• 5.1.3 不同碳含量合成样品的循环伏安行为
• 4/C 样品的电化学阻抗谱分析'>5.2 LiFePO₄/C 样品的电化学阻抗谱分析
• 4/C 样品电极的电化学阻抗谱分析'>5.2.1 LiFePO₄/C 样品电极的电化学阻抗谱分析
• 5.2.2 不同铁源合成样品电极的电化学阻抗谱比较
• 5.2.3 不同碳含量合成样品电极的电化学阻抗谱
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢