硅酸盐基聚阴离子锂离子电池电极材料的合成及性能研究

论文摘要

近些年来,聚阴离子型硅酸盐基材料因其材料结构稳定性、原料来源广泛及环境友好性等特点,受到人们的关注及研究。本文首次对新型聚阴离子型硅酸盐基材料LiFeSi2O6进行了初步的合成及性能研究,并采用不同的方法（固相球磨法、液相法及溶胶-凝胶法）制备Li2FeSiO4材料,从合成条件、产物组成、结构及电化学性能等方面对其进行了研究。将制备得的Li2FeSiO4材料首次应用于水溶液电解质体系中作为负极材料使用,考察其电化学性能。采取一种控制pH使硅源和铁源共水解沉积的方法制备了高纯度的LiFeSi2O6材料,并对其进行了初步的改性合成及性能研究。合成的LiFeSi2O6及LiFe1-xZnxSi2O6材料有一定的电化学性能,放电容量分别达480、530mAh·g-1,但首次放电曲线异与随后循环,且容量衰减超过50%。表明LiFeSi2O6材料在首次放电过程中可能发生结构转变,其衰减机理有待进一步研究。Zn的掺杂,对LiFeSi2O6材料的结构和性能有一定的改善作用,但是效果并不明显,还需寻求其他方法对该种材料的循环性能进行改进。固相球磨法和液相法制备的Li2FeSi04材料过程中,使用自制的Li2Si03为反应原料,减少一次反应相数,得到纯度较好的Li2FeSi04产物。其中,固相法制备的材料杂质相对较多,材料含碳量约为8.98wt%。其在有机电解液体系电池中首次放电比容量在接近140mAh·g-1,循环容量维持在120mAh·g-1,具有较高的容量及良好的循环性能。液相法制备合成的Li2FeSiO4材料虽杂质相对较少但几乎不含碳,电化学性能差。溶胶-凝胶法合成的Li2FeSiO4材料在有机电解质体系中性能相对最优,循环容量达140mAh·g-1左右,将其应用于水溶液体系中作为负极材料使用,考察电化学性能。当以三元材料为正极,1MLi2SO4+0.1MLiOH水溶液为电解液组成的水体系电池在电流密度为10mA·g-1及25℃条件下测试时,电池电压1.1V,首次放电比容量接近100mAh·g-1,30周后循环容量保持率和库伦效率均接近100%。表明Li2FeSiO4材料可作为水溶液电解液锂离子电池的负极材料使用,并就有较高的比容量及良好的循环性能,但仍需进一步优化条件,改善电池的容量和循环性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 锂离子电池研究背景
• 1.1.1 简介
• 1.1.2 锂离子电池的工作原理、组成及特点
• 1.2 硅酸盐基聚阴离子型电极材料的发展
• 1.2.1 结构及性能
• 1.2.2 研究进展
• 1.3 本文的研究内容及意义
• 第二章 实验、试剂、仪器及测试方法
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 仪器与设备
• 2.2 表征及分析方法
• 2.2.1 XRD（X射线粉末晶体衍射）
• 2.2.2 SEM（扫描电子显微镜）
• 2.2.3 TG/DTA（热重/差热分析）
• 2.3 电极材料电化学性能研究方法
• 2.3.1 电极的制备
• 2.3.2 电池的组装
• 2.3.3 充放电性能测试
• 2O₆的合成、改性及性能的初步探索研究'>第三章 新型硅酸盐基材料LiFeSi₂O₆的合成、改性及性能的初步探索研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 2O₆材料的合成'>3.2.1 LiFeSi₂O₆材料的合成
• 2O₆材料的改性'>3.2.2 LiFeSi₂O₆材料的改性
• 3.2.3 电化学性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 2O₆材料表征及电化学性能测试'>3.3.1 LiFeSi₂O₆材料表征及电化学性能测试
• 2O₆材料表征及电化学性能测试'>3.3.2 Zn离子掺杂改性LiFeSi₂O₆材料表征及电化学性能测试
• 3.4 本章小结
• 2FeSiO₄材料及性能研究'>第四章 固相法合成Li₂FeSiO₄材料及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 2FeSiO₄材料'>4.2.2 固相球磨合成Li₂FeSiO₄材料
• 4.2.3 电化学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 2SiO₃材料组成的影响'>4.3.1 球磨条件对Li₂SiO₃材料组成的影响
• 4.3.2 混料顺序对产物组成的影响
• 4.3.3 TG分析
• 4.3.4 电化学性能研究
• 4.4 本章总结
• 2FeSiO₄材料及性能研究'>第五章 液相法合成Li₂FeSiO₄材料及性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 2SiO₃'>5.2.1 液相制备Li₂SiO₃
• 2FeSiO₄材料'>5.2.2 液相合成Li₂FeSiO₄材料
• 5.2.3 电化学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 2SiO₃材料XRD表征及分析'>5.3.1 液相制备Li₂SiO₃材料XRD表征及分析
• 2FeSiO₄组成的影响'>5.3.2 合成温度对Li₂FeSiO₄组成的影响
• 5.3.3 溶剂比例对产物组成的影响
• 5.3.4 草酸还原顺序对产物组成的影响
• 2FeSiO₄材料电化学性能测试'>5.3.5 液相合成Li₂FeSiO₄材料电化学性能测试
• 5.3.6 TG测试分析
• 5.4 本节总结
• 2FeSiO₄材料'>第六章 溶胶-凝胶法制备Li₂FeSiO₄材料
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 2FeSiO₄材料'>6.2.1 溶胶-凝胶法制备Li₂FeSiO₄材料
• 6.2.2 电化学性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 XRD表征分析
• 6.3.2 SEM表征分析
• 6.3.3 TG表征分析
• 2FeSiO₄材料在有机电解质体系中电化学性能研究'>6.3.4 溶胶-凝胶法制得的Li₂FeSiO₄材料在有机电解质体系中电化学性能研究
• 6.4 结果与讨论
• 2FeSiO₄材料在水溶液电解液体系中电化学性能研究'>第七章 溶胶-凝胶法制备Li₂FeSiO₄材料在水溶液电解液体系中电化学性能研究
• 7.1 引言
• 7.1.1 水溶液电解质研究背景
• 2FeSiO₄材料对比'>7.1.2 不同方法合成的Li₂FeSiO₄材料对比
• 7.1.3 本章研究内容
• 7.2 实验部分
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 不同电解质溶液对材料电化学性能的影响
• 7.3.2 不同对极材料对电化学性能的影响
• 7.3.3 水溶液电解质体系电化学性能研究
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢