LiFePO4/PANI复合锂离子电池正极材料的制备与性能研究

论文摘要

采用低温溶剂热法合成了LiFePO4,并以蔗糖为碳源,通过热处理方法制备出碳包覆C-LiFePO4正极材料。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、恒电流充放电以及循环伏安（CV）等方法对样品进行结构表征和电化学性能测试。结果表明:采用丙三醇（甘油）为溶剂,相对低温条件下（120℃）合成的LiFePO4具有橄榄石型晶体结构,呈纺锤体形貌。反应浓度对颗粒的尺寸影响较大。浓度越高,颗粒尺寸越小;但浓度太高,颗粒会团聚。对比充放电性能,0.5 M下制备的C-LiFePO4(C-LFP0.5)表现出了更优的充放电性能。室温下以变化倍率的充放电测试中,倍率为0.1、0.2、0.5、1、2和5 C时,C-LFP0.5样品的首次放电比容量分别为153.9、147.0、135.4、123.0、113.3和84.7 mAh·g-1;当倍率再次减小到0.1 C时,放电比容量又基本恢复至原来水平。同时,循环伏安（CV）结果表明,Li+在C-LFP0.5样品内部嵌入/脱嵌时具有更好的可逆性。采用化学氧化聚合分别合成了盐酸（HC1）、十二烷基苯磺酸（DBSA）和樟脑磺酸（CSA）掺杂的聚苯胺。采用扫描电镜（SEM）、红外光谱（IR）和紫外-可见光谱（UV）对其结构进行表征,并利用恒流充放电测试方法对其作为锂离子电池正极材料的充放电性能进行研究。结果表明,本征态及不同酸掺杂的PANI的聚集态结构均为颗粒团聚状;颗粒大小与不同的掺杂剂所带的官能团不同所致。采用大尺寸的有机磺酸（DBSA和CSA）掺杂更有利于电荷的跃迁,电导率更高。充放电性能表明,酸掺杂PANI作为锂离子电池正极材料均具有较高的比容量,其中以CSA掺杂样品（PANI-CSA）最佳。在17 mA·h-1·g-1的充放电速率下,PANI-CSA的首次充放电比容量为125.3和118.2mAh·g-1,经过50次循环后仍保持在82.5 mAh·g-1。通过溶液共混法将PANI-CSA分别与三种浓度下制备的C-LiFePO4复合制备出C-LiFePO4/PANI-CSA复合正极材料。利用扫描电镜（SEM）、热重分析（TG-DTA）、恒电流充放电以及交流阻抗（EIS）测试等方法对样品进行结构表征和电化学性能测试。结果表明:溶液包覆复合的方式能将PANI有效地包覆在C-LiFePO4颗粒表面。适量的PANI包覆复合能在一定程度上改善C-LiFePO4的电化学性能。特别对于C-LFP0.5,当包覆量为 10%时,C-LFP0.5/10%PANI-CSA复合材料在0.1 C充放电倍率下的首次放电容量达165.3 mAh·g-1;当倍率提高为0.2、0.5、1、2和5 C时,复合材料的放电比容量也分别达到154、141.9、133.7、124.8和108.7 mAh·g-1。同时,交流阻抗分析表明,C-LiFePO4/PANI-CSA复合材料具有更低的界面电荷转移阻抗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池概况
• 1.2.1 锂离子电池发展简史
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理及其特点
• 1.3 锂离子电池正极材料
• 1.3.1 锂离子电池正极材料的选择要求
• 1.3.2 常用锂离子电池正极材料
• 2'>1.3.2.1 层状正极材料LiMO₂
• 2O₄'>1.3.2.2 尖晶石型正极材料LiMn₂O₄
• 4'>1.3.2.3 橄榄石型正极材料LiMPO₄
• 1.3.2.4 有机聚合物正极材料
• 1.3.2.5 钒系正极材料
• 1.3.2.6 纳米正极材料
• 4研究进展'>1.4 橄榄石型LiFePO₄研究进展
• 4的结构及充放电机理'>1.4.1 LiFePO₄的结构及充放电机理
• 4的制备方法'>1.4.2 LiFePO₄的制备方法
• 4存在的问题及改性方法'>1.4.3 LiFePO₄存在的问题及改性方法
• 1.5 导电聚苯胺正极材料的研究
• 1.5.1 聚苯胺的结构
• 1.5.2 聚苯胺的合成和掺杂
• 1.5.3 聚苯胺的应用——正极材料
• 1.6 本文的研究内容及意义
• 第二章 实验和测试方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料及设备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 材料的结构表征
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电镜分析（SEM）
• 2.3.3 透射电镜分析（TEM）
• 2.3.4 热重分析（TG-DTA）
• 2.3.5 红外光谱分析（IR）
• 2.3.6 紫外-可见光谱分析（UV）
• 2.4 材料的电化学性能测试
• 2.4.1 恒电流充放电测试
• 2.4.2 循环伏安法
• 2.4.3 交流阻抗测试
• 4的研究'>第三章 溶剂热法制备橄榄石型LiFePO₄的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 4正极材料的制备'>3.2.1 LiFePO₄正极材料的制备
• 3.2.2 电极制备及半电池组装
• 3.3 结果与讨论
• 4正极材料的XRD分析'>3.3.1 LiFePO₄正极材料的XRD分析
• 4正极材料的SEM分析'>3.3.2 LiFePO₄正极材料的SEM分析
• 4正极材料的TEM分析'>3.3.3 LiFePO₄正极材料的TEM分析
• 4正极材料的充放电性能测试'>3.3.4 LiFePO₄正极材料的充放电性能测试
• 4正极材料的循环伏安性能测试'>3.3.5 LiFePO₄正极材料的循环伏安性能测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 导电聚苯胺的化学氧化合成和电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 导电聚苯胺正极材料的制备
• 4.2.2 电极制备及半电池组装
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 聚苯胺的SEM分析
• 4.3.2 聚苯胺的红外光谱分析
• 4.3.3 聚苯胺的紫外-可见光谱分析
• 4.3.4 导电聚苯胺的充放电性能测试
• 4.4 本章小结
• 4/PANI复合材料的制备及电化学性能研究'>第五章 LiFePO₄/PANI复合材料的制备及电化学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 4/PANI复合材料的制备'>5.2.1 LiFePO₄/PANI复合材料的制备
• 5.2.2 电极制备及半电池组装
• 5.3 结果与讨论
• 4/PANI复合正极材料的SEM分析'>5.3.1 LiFePO₄/PANI复合正极材料的SEM分析
• 4/PANI复合正极材料的TG分析'>5.3.2 LiFePO₄/PANI复合正极材料的TG分析
• 4/PANI复合正极材料的充放电性能测试'>5.3.3 LiFePO₄/PANI复合正极材料的充放电性能测试
• 4/PANI复合正极材料的交流阻抗测试'>5.3.4 LiFePO₄/PANI复合正极材料的交流阻抗测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结、创新点与展望
• 6.1 总结
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及专利