锂离子电池正极材料LiFePO4及Li2FeSiO4的合成及改性研究

论文摘要

锂离子电池正极材料LiFePO4和Li2FeSi04均具有原料丰富、无毒、热稳定性强、循环性能好、理论容量高等优点,被认为是极具发展潜力的锂离子电池正极材料。本文以LiFePO4和Li2FeSi04为研究对象,对其合成工艺和材料改性进行了系统研究。前驱体FePO4·χH2O对合成LiFePO4结构与电化学性能有较大影响,通过液相沉淀法制备得到了纯相的FePO4·χH2O,详细探讨了反应物浓度对前驱体FePO4·χH2O及LiFePO4性能的影响。在既定条件下,当反应物浓度为1.0mol·L-1时合成的FePO4·2H2O结构与性能较好,以此为前驱体合成的LiFePO4电化学性能较优。针对Li2FeSiO4正极材料电子电导率低和离子扩散能力差的缺点,采用柠檬酸配合法合成Li2FeSiO4正极材料,对加入柠檬酸与未加入柠檬酸两种方法合成的Li2FeSiO4样品进行了比较,结果表明柠檬酸配合法合成的样品结晶度更完整,颗粒分布均匀,电化学性能较好,样品在C/16倍率下的首次放电比容量为135.4 mAh·g-1,30次循环后容量衰减率为15.7%；同时研究了不同配合比对Li2FeSiO4样品物理及电化学性能的影响,结果表明,配合比k=1.0时材料的物理及电化学性能最佳。研究发现,单一碳源掺杂对Li2FeSiO4/C电化学性能改进效果有限,探索了复合有机碳源对Li2FeSiO4/C的电化学性能的影响。研究表明,掺入35%柠檬酸+5%葡萄糖+25%均苯四甲酸酐的复合有机碳源对Li2FeSiO4/C材料的电化学性能改进效果显著；同时较系统研究了烧结温度和烧结时间对复合碳源改性后的材料的物相结构、微观形貌和电化学性能的影响。研究表明最佳合成条件：烧结温度为700℃,烧结时间为20h。在最佳合成条件下制备的Li2FeSiO4/C（F3）材料的电化学性能较好,样品在C/16倍率下的首次放电比容量为157.5 mAh·g-1,经30次循环后比容量保持率为92.06%。采用循环伏安法（CV）和交流阻抗图谱法（EIS）对Li2FeSiO4/C（F3）的电极界面锂脱/嵌动力学行为作进一步研究,测试结果表明掺入复合有机碳源进行表面改性后电极极化减小,可逆性和电化学性能显著提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子二次电池简介
• 1.2.1 锂离子电池工作原理
• 1.2.2 锂离子电池的优点
• 1.2.3 锂离子电池的组成
• 1.3 锂离子正极材料研究进展
• 2）'>1.3.1 钴酸锂（LiCoO₂）
• 2O₄）'>1.3.2 锰酸锂（LiMn₂O₄）
• 2）'>1.3.3 镍酸锂（LiNiO₂）
• 1/3CO_1/3Mn_1/3O₂)'>1.3.4 三元正极材料(LiNi_1/3CO_1/3Mn_1/3O₂)
• 1.3.5 钒基材料
• 4）'>1.3.6 磷酸铁锂（LiFePO₄）
• 2FeSiO₄）'>1.3.7 硅酸亚铁锂（Li₂FeSiO₄）
• 1.4 本研究的意义和内容
• 4·xH₂O及LiFePO₄性能的影响'>第二章 反应物浓度对FePO₄·xH₂O及LiFePO₄性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验原料和设备
• 2.2.2 前驱体反应机理
• 2.2.3 实验步骤
• 2.3 检测方法及仪器
• 2.3.1 热重-差热分析（TG-DTA）
• 2.3.2 元素分析（ICP）
• 2.3.3 X射线粉末衍射（XRD）
• 2.3.4 扫描电镜（SEM）
• 2.3.5 电池组装和电化学性能测试
• 4·xH₂O的影响'>2.4 反应物浓度对前驱体FePO₄·xH₂O的影响
• 4的物相结构'>2.4.1 晶态前驱体FePO₄的物相结构
• 4·xH₂O的微观形貌'>2.4.2 前驱体FePO₄·xH₂O的微观形貌
• 4·xH₂O中Fe含量'>2.4.3 前驱体FePO₄·xH₂O中Fe含量
• 4的影响'>2.5 反应物浓度对LiFePO₄的影响
• 4材料的物相结构'>2.5.1 LiFePO₄材料的物相结构
• 4材料的微观形貌'>2.5.2 LiFePO₄材料的微观形貌
• 4材料的充放电性能'>2.5.3 LiFePO₄材料的充放电性能
• 4材料的循环性能'>2.5.4 LiFePO₄材料的循环性能
• 2.6 本章小结
• 2FeSiO₄及性能研究'>第三章 柠檬酸配合法合成Li₂FeSiO₄及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验原料和设备
• 3.2.2 实验步骤
• 3.3 检测方法及仪器
• 3.3.1 差热-热重分析（TG-DSC）
• 3.3.2 激光粒度分析
• 3.3.3 X射线粉末衍射（XRD）
• 3.3.4 扫描电镜（SEM）
• 3.3.5 电池组装和电化学性能测试
• 3.4 前驱体的TG-DSC曲线分析
• 2FeSiO₄材料的影响'>3.5 合成方法对合成前驱体及Li₂FeSiO₄材料的影响
• 3.5.1 前驱体的粒径分布
• 3.5.2 前驱体的微观形貌
• 2FeSiO₄材料的物相结构'>3.5.3 Li₂FeSiO₄材料的物相结构
• 2FeSiO₄材料的微观形貌'>3.5.4 Li₂FeSiO₄材料的微观形貌
• 2FeSiO₄材料的充放电性能'>3.5.5 Li₂FeSiO₄材料的充放电性能
• 2FeSiO₄材料的循环性能'>3.5.6 Li₂FeSiO₄材料的循环性能
• 2FeSiO₄材料结构与性能的影响'>3.6 配合比对Li₂FeSiO₄材料结构与性能的影响
• 2FeSiO₄材料的物相结构'>3.6.1 Li₂FeSiO₄材料的物相结构
• 2FeSiO₄材料的微观形貌'>3.6.2 Li₂FeSiO₄材料的微观形貌
• 2FeSiO₄材料的充放电性能'>3.6.3 Li₂FeSiO₄材料的充放电性能
• 2FeSiO₄材料的循环性能'>3.6.4 Li₂FeSiO₄材料的循环性能
• 3.7 本章小结
• 2FeSiO₄/C材料的改性研究'>第四章 复合有机碳源对Li₂FeSiO₄/C材料的改性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料和设备
• 4.2.2 复合有机碳源选择
• 4.2.3 实验步骤
• 4.4 实验检测方法及仪器
• 4.4.1 碳含量分析
• 4.4.2 X射线粉末衍射（XRD）
• 4.4.3 扫描电镜（SEM）
• 4.4.4 电池组装和电化学性能测试
• 4.4.5 循环伏安的测量
• 4.4.6 电极的交流阻抗图谱的测定
• 2FeSiO₄/C材料结构与性能的影响'>4.5 复合有机碳源对Li₂FeSiO₄/C材料结构与性能的影响
• 2FeSiO₄/C材料的物相结构'>4.5.1 Li₂FeSiO₄/C材料的物相结构
• 2FeSiO₄/C材料的微观形貌'>4.5.2 Li₂FeSiO₄/C材料的微观形貌
• 2FeSiO₄/C材料的充放电性能'>4.5.3 Li₂FeSiO₄/C材料的充放电性能
• 2FeSiO₄/C材料的循环性能'>4.5.4 Li₂FeSiO₄/C材料的循环性能
• 2FeSiO₄/C材料结构与性能的影响'>4.6 烧结温度对Li₂FeSiO₄/C材料结构与性能的影响
• 2FeSiO₄/C材料的物相结构'>4.6.1 Li₂FeSiO₄/C材料的物相结构
• 2FeSiO₄/C材料的微观形貌'>4.6.2 Li₂FeSiO₄/C材料的微观形貌
• 2FeSiO₄/C材料的充放电性能'>4.6.3 Li₂FeSiO₄/C材料的充放电性能
• 2FeSiO₄/C材料的循环性能'>4.6.4 Li₂FeSiO₄/C材料的循环性能
• 2FeSiO₄/C材料结构与性能的影响'>4.7 烧结时间对Li₂FeSiO₄/C材料结构与性能的影响
• 2FeSiO₄/C材料的物相结构'>4.7.1 Li₂FeSiO₄/C材料的物相结构
• 2FeSiO₄/C材料的微观形貌'>4.7.2 Li₂FeSiO₄/C材料的微观形貌
• 2FeSiO₄/C材料的充放电性能'>4.7.3 Li₂FeSiO₄/C材料的充放电性能
• 2FeSiO₄/C材料的循环性能'>4.7.4 Li₂FeSiO₄/C材料的循环性能
• 2FeSiO₄/C_（F3）电极的CV和EIS研究'>4.8 Li₂FeSiO₄/C_（F3）电极的CV和EIS研究
• 2FeSiO₄/C_（F3）电极的CV研究'>4.8.1 Li₂FeSiO₄/C_（F3）电极的CV研究
• 2FeSiO₄/C_（F3）的EIS研究'>4.8.2 Li₂FeSiO₄/C_（F3）的EIS研究
• 4.9 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果