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锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备及性能研究

2020-12-10阅读(294)

锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备及性能研究

论文摘要

橄榄石结构的LiFePO4以其结构稳定,价格低廉,无毒,对环境友好,有较高的理论容量（接近170mAh·g-1）,高安全性等诸多优点成为新一代锂离子电池首选的正极材料。然而,LiFePO4主要存在两个缺点：低电子导电率、低的锂离子扩散速率,从而导致LiFePO4的倍率性能较差,制约了LiFePO4的产业化进程。近年来,许多研究方法对其倍率性能进行改善,如金属阳离子掺杂、控制颗粒的形貌和粒径大小、碳包覆等。目前合成LiFePO4的方法主要分为固相法和液相法。其中,固相法是比较容易实现工业化的合成方法,固相法的前驱体通常采用机械球磨对其进行混合,而机械球磨有它自身的不足：①耗时：②耗材;③生产成本高;④易引入杂质等,所以为了降低产业化中的成本,对前驱体制备步骤进行深入研究,开发工艺简单且成本低的前驱体制备方法,对其大规模商业化应用有巨大意义。本文提出了一种简单的以磷酸铁粉末为原料的酯化缩聚法来制备高性能且粒径可控的LiFePO4/C复合材料。利用热重（TG-DTA）分析、X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、激光粒度分析、拉曼光谱、比表面积、恒流充放电和交流阻抗谱（EIS）等分析测试技术对LiFePO4/C复合材料的前驱体热分解、结构及电化学性能进行了系统的研究,并测试了LiFePO4/C的碳含量和振实密度,并验证了该方法的可行性。本文所做的研究工作及研究结论主要有如下几点：1)采用电池级FePO4·2H2O和Li2CO3为原料,以蔗糖和柠檬酸复合有机物作为碳源,通过正交实验分别讨论蔗糖含量、低温预烧温度、低温预烧时间、高温焙烧时间这4个因素对制备LiFePO4的影响。通过实验得出：在柠檬酸与碳酸锂加入量比为2：1（质量比）,高温焙烧温度为600℃条件下,当低温300℃预烧6h,高温600℃焙烧4h,蔗糖含量为5%时,制备的LiFePO4/C在1C放电比容量最高为113.3mAh·g-1.通过正交实验的结果分析可知：其中蔗糖含量的极差R最大,然后探讨蔗糖添加量对LiFePO4/C性能的影响。结果发现,通过改变蔗糖的添加量,可以有助于形成粒径小,比表面积大、碳石墨化程度高、电荷转移阻抗较低及振实密度高的具有多孔结构的LiFePO4/C;当蔗糖添加量为6%时,在0.2C充放电倍率下,其放电比容量最大138.9mAh·g-1,且倍率性能良好。2)采用电池级FePO4·2H20和CH3COOLi为原料,以蔗糖和柠檬酸有机物作为复合碳源,制备LiFePO4/C复合材料。首先根据理论计算可知,通过改变柠檬酸的量可以调控FePO4的溶解程度,从而可以调控LiFePO4/C的颗粒大小。本节主要探讨柠檬酸添加量对制备LiFePO4的影响,同时配制15%蔗糖（相对于FePO4-2H2O的wt%）作单一碳源的样品作对比。结果发现：复合碳源优于单一碳源,在0.2C充放电倍率下,柠檬酸添加量为12%时,其具有最佳的放电比容量149.8mAh·g-1,并表现出较优的倍率性能。分别对比柠檬酸和蔗糖、柠檬酸和聚乙二醇400、柠檬酸和葡萄糖、柠檬酸和乙二醇作碳源对LiFePO4/C复合材料的电化学性能影响。通过实验可知：以柠檬酸和蔗糖作复合碳源制备的LiFePO4/C的电化学性能要优于柠檬酸和聚乙二醇、柠檬酸和葡萄糖及柠檬酸和乙二醇制备的LiFePO4/C。其中以柠檬酸和蔗糖制备的样品NCl2在0.1C、0.2C、1C、2C、5C的充放电倍率下的放电比容量分别为153.0mAh·g-1、149.8mAh·g-1、141.2mAh·g-1、132.5mAh·g-1、106.4mAh·g-1。3)采用电池级FePO4·2H2O和CH3COOLi为原料,以蔗糖和柠檬酸作为复合碳源,探究锂的添加量对制备LiFePO4/C复合材料的影响。结果发现,通过添加过量的锂不仅可以补偿制备及充放电过程中损失的锂,而且还制备出了可以提高LiFePO4导电性能的Li4P2O7,并且制备出了粒度小、阻抗小、电化学性能优良的具有多孔结构的LiFePO4/C复合材料。其中样品Li112FePO4在0.1C、0.2C、1C、2C、5C的充放电倍率下的放电比容量分别为155.8mAh·g-1、150.0mAh·g-1、134.9mAh·g-1、122.9mAh·g-1、106.8mAh·g-1。

论文目录

  • 作者简介
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 引言
  • §1.2 锂离子电池概述
  • 1.2.1 锂离子电池的发展概述
  • 1.2.2 锂离子电池的组成及工作原理
  • §1.3 锂离子电池正极材料概述
  • 4 的研究'>§1.4 锂离子正极材料LiFePO4的研究
  • 1.4.1 磷酸铁锂的结构与特点
  • 4的制备方法'>1.4.2 LiFePO4的制备方法
  • 4的改性研究'>1.4.3 LiFePO4的改性研究
  • §1.5 本论文提出的选题背景、选题内容及创新之处
  • 1.5.1 本论文的选题背景
  • 1.5.2 本论文的选题内容
  • 1.5.3 本论文的创新之处
  • 第二章 实验方法
  • §2.1 实验原料及仪器
  • 2.1.1 实验原料
  • 2.1.2 实验仪器
  • §2.2 材料的合成
  • §2.3 材料的表征
  • 2.3.1 X射线衍射（XRD）
  • 2.3.2 扫描电镜（SEM）
  • 2.3.3 粒度分布
  • 2.3.4 比表面积（BET）
  • 2.3.5 热重和差热分析（TG和DTA）
  • 2.3.6 激光拉曼光谱分析（Raman）
  • 2.3.7 碳含量测试（重量分析法）
  • 2.3.8 振实密度测试
  • §2.4 材料电化学测试
  • 2.4.1 电极的制备及模拟扣式电池的组装
  • 2.4.2 交流阻抗测试
  • 2.4.3 恒电流充放电测试
  • 4C的工艺研究'>第三章 酯化缩聚法制备LiFePO4C的工艺研究
  • 引言
  • §3.1 实验工艺流程
  • §3.2 正交实验设计
  • 3.2.1 样品前驱体热重（TG-DTA）分析
  • 3.2.2 正交实验的设计
  • 3.2.3 正交实验的结果分析
  • 4/C性能的影响'>§3.3 蔗糖添加量对LiFePO4/C性能的影响
  • 3.3.1 实验工艺流程
  • 3.3.2 样品表征及分析
  • 4/C的电化学性能的影响'>3.3.3 蔗糖添加量对LiFePO4/C的电化学性能的影响
  • 本章小结
  • 4/C性能研究'>第四章 不同复合碳源包覆制备LiFePO4/C性能研究
  • 引言
  • 4/C性能研究'>§4.1 以柠檬酸和蔗糖作碳源制备LiFePO4/C性能研究
  • 4.1.1 实验工艺流程
  • 4.1.2 样品表征及分析
  • /C的电化学性能的影响'>4.1.3 柠檬酸添加量对LiFePO/C的电化学性能的影响
  • 4/C的性能研究'>§4.2 以柠檬酸和聚乙二醇400作碳源制备LiFePO4/C的性能研究
  • 4.2.1 样品前驱体（TG-DTA）分析
  • 4.2.2 以柠檬酸和聚乙二醇400作碳源的工艺流程
  • 4/C的电化学性能的影响'>4.2.3 PEG400添加量对LiFePO4/C的电化学性能的影响
  • 4/C的性能研究'>§4.3 以柠檬酸和葡萄糖作碳源制备LiFePO4/C的性能研究
  • 4.3.1 样品前驱体（TG-DTA）分析
  • 4.3.2 以柠檬酸和葡萄糖作碳源作碳源的工艺流程
  • 4/C的电化学性能的影响'>4.3.3 葡萄糖添加量对LiFePO4/C的电化学性能的影响
  • 4 /C的性能研究'>§4.4 以柠檬酸和乙二醇作碳源制备LiFePO4/C的性能研究
  • 4.4.1 样品前驱体（TG-DTA）分析
  • 4.4.2 以柠檬酸和乙二醇作碳源的工艺流程
  • 4/C的电化学性能的影响'>4.4.3 乙二醇添加量对LiFePO4/C的电化学性能的影响
  • 4/C的电化学性能对比'>§4.5 不同有机物作复合碳源制备的LiFePO4/C的电化学性能对比
  • 本章小结
  • 4/C性能研究'>第五章 锂的添加量对制备LiFePO4/C性能研究
  • 引言
  • §5.1 实验工艺流程
  • 4/C的性能研究'>§5.2 锂的添加量对制备LiFePO4/C的性能研究
  • 5.2.1 样品表征及分析
  • 4/C的电化学性能的影响'>5.2.2 锂的添加量对制备的LiFePO4/C的电化学性能的影响
  • 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  • §6.1 结论
  • §6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献

    • 相关论文文献

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