论文摘要
在传统的化石能源面临枯竭和环境保护日益重要的今天,磷酸铁锂（LiFePO4）作为新一代锂离子电池正极材料,因具有原料来源丰富、环境污染小、比容量高,循环性能稳定等优点而备受关注。但是LiFePO4较小的锂离子扩散系数和较低的电导率制约了它的发展。目前改善LiFePO4电化学性能的主要方法是改进合成工艺、掺杂导电剂和金属阳离子。本文结合这两种方法,以碳酸锂、草酸亚铁、磷酸氢二铵、蔗糖以及所要掺杂的离子的金属盐为主要原料,采用两步固相烧结法制备出掺杂金属离子的LiFePO4/C复合材料。利用XRD（X-ray diffraction）、SEM（Scanning electron microscope）、充放电测试等实验手段,对材料的合成条件、结构特征、表面形貌、晶粒尺寸和电化学性能进行了研究。文章探讨了不同的反应温度和时间对制备的正极材料的物理性能和电化学性能的影响。结果表明在不同的合成条件下制备的正极材料都具有3.4V左右的放电电压平台,合成条件对材料的形貌和电化学性能有较大影响,其中在650℃保温18小时合成的正极材料颗粒细小、粒径均匀,比容量和循环性能最好。以蔗糖为碳源对材料进行表面改性,研究了不同掺碳量对正极材料性能的影响。含碳3%的样品比未掺杂的样品首次放电容量提高了20%,达到了139.3mAh/g,将含碳量提高到7%,在不同的烧结工艺条件下,性能改善情况不同。分析发现掺杂的碳分散在颗粒之间,提高了材料的表面导电性,有效的提高了材料的比容量。采用体相掺杂的方法,用金属阳离子对LiFePO4/C进行掺杂,研究了Mg2+、La3+和Zr4+三种离子掺杂对正极材料性能的影响。实验结果表明掺杂的金属阳离子在合成中起到了成核剂的作用,并且在合成中抑制了颗粒长大,得到了细小均匀并且完整的晶粒。XRD分析结果表明掺杂金属阳离子并没有改变磷酸铁锂的橄榄石结构,这些离子取代了LiFePO4结构中的Li+离子,形成了晶格完整有序的单相固溶体。电池充放电测试显示,掺杂金属阳离子一定程度上提高了样品的比容量和容量保持率。