水热法制备LiFePO4/C复合正极材料的结构、形貌及其性能研究

论文摘要

橄榄石型LiFePO4具有理论比容量较高、工作电压高、原料成本低、无污染、循环性和稳定性好等优点,被认为是最具潜力的新一代锂离子电池正极材料。本文采用水热法合成LiFePO4,并通过掺蔗糖以及热处理的方法制备出了LiFePO/C复合正极材料。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、恒电流充放电以及交流阻抗等测试方法对样品进行结构和形貌的表征以及电化学性能的测试。考察了反应釜类型、反应温度、反应时间、搅拌速率、加料顺序以及还原剂等工艺条件对LiFeP04/C复合正极材料的结构与性能的影响。结果表明,水热法制备的LiFeP04具有橄榄石型晶体结构,且具有纯度高、结晶好和粒径分布均匀等优点。在本文的实验条件下,发现利用大釜制备的样品,比容量比小釜的高42.9mAh/g;当反应温度为150 ℃,反应时间为20 h,样品的首次放电比容量为144.4 mAh/g,随着反应釜搅拌速率的增大,LiFePO4/C复合正极材料的粒径分布越来越均一,当搅拌速率为500 r/min时,粒径在200 nm左右,电池的循环性能也得到相应的提高;加料顺序的不同对LiFeP04/C复合正极材料的形貌以及性能的影响很大,通过中和法制备的样品比容量为144.4 mAh/g,而非中和法制备的可以达到155.3 mAh/g;同时,还原剂的加入可以防止Fe2+氧化成Fe3+,从而提高了样品的比容量。同时,本文还考察了铁源对LiFePO4/C复合正极材料的结构与性能的影响。结果表明,三种铁源（硫酸亚铁、葡萄糖酸亚铁和醋酸亚铁）合成的LiFePO4/C,首次放电比容量分别为124.3mAh/g、155.3mAh/g和139.5mAh/g,经过30次循环后,葡萄糖酸亚铁合成的样品的比容量基本上没有衰减。并通过SEM得到了三个样品各自的形貌和粒径分布情况,其中以葡萄糖酸亚铁为铁源的样品呈现纺锤体形,该纺锤体是由一颗颗10-20 nm左右的球形小颗粒堆积而成的,且粒径分布均一。同时,交流阻抗表明,以葡萄糖酸亚铁为铁源时,具有最低的界面电荷转移阻抗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池概述
• 1.1.1 锂离子电池发展简史
• 1.1.2 锂离子电池的工作原理
• 1.1.3 锂离子电池的特点
• 1.1.4 锂离子电池的构造
• 1.2 锂离子电池正极材料概述
• 4锂离子电池正极材料概述'>1.3 LiFePO₄锂离子电池正极材料概述
• 4正极材料的特性'>1.3.1 LiFePO₄正极材料的特性
• 4正极材料的制备方法'>1.3.2 LiFePO₄正极材料的制备方法
• 1.3.2.1 高温固相法
• 1.3.2.2 碳热还原法
• 1.3.2.3 溶胶凝胶法
• 1.3.2.4 微波法
• 1.3.2.5 共沉淀法
• 1.3.2.6 水热法
• 4存在的问题及其改性方法'>1.3.3 LiFePO₄存在的问题及其改性方法
• 1.3.3.1 表面碳包覆
• 1.3.3.2 导电聚合物表面修饰
• 1.3.3.3 减小颗粒尺寸
• 1.3.3.4 金属离子掺杂
• 1.4 课题的提出及本文的研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验工艺流程
• 4/C复合正极材料的制备'>2.3.1 LiFePO₄/C复合正极材料的制备
• 2.3.2 电极的制备及模拟电池的组装
• 2.4 材料的结构表征
• 2.4.1 X射线衍射分析
• 2.4.2 扫描电镜分析
• 2.4.3 透射电镜分析
• 2.5 材料的电化学性能测试
• 2.5.1 恒电流充放电测试
• 2.5.2 交流阻抗测试
• 4/C的工艺研究'>第三章 水热法制备LiFePO₄/C的工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 4/C复合正极材料的制备'>3.2.1 LiFePO₄/C复合正极材料的制备
• 3.2.2 电极的制备及模拟电池的组装
• 3.3 结果与讨论
• 4/C结构与性能的影响'>3.3.1 反应釜类型对LiFePO₄/C结构与性能的影响
• 3.3.1.1 XRD分析
• 3.3.1.2 SEM分析
• 3.3.1.3 恒电流充放电测试
• 4/C结构与性能的影响'>3.3.2 反应温度对LiFePO₄/C结构与性能的影响
• 3.3.2.1 XRD分析
• 3.3.2.2 SEM分析
• 3.3.2.3 恒电流充放电测试
• 4/C结构与性能的影响'>3.3.3 反应时间对LiFePO₄/C结构与性能的影响
• 3.3.3.1 XRD分析
• 3.3.3.2 SEM分析
• 3.3.3.3 恒电流充放电测试
• 4/C结构与性能的影响'>3.3.4 搅拌速率对LiFePO₄/C结构与性能的影响
• 3.3.4.1 XRD分析
• 3.3.4.2 SEM分析
• 3.3.4.3 恒电流充放电测试
• 4/C结构与性能的影响'>3.3.5 加料顺序对LiFePO₄/C结构与性能的影响
• 3.3.5.1 XRD分析
• 3.3.5.2 SEM分析
• 3.3.5.3 恒电流充放电测试
• 4/C结构与性能的影响'>3.3.6 还原剂对LiFePO₄/C结构与性能的影响
• 3.3.6.1 XRD分析
• 3.3.6.2 SEM分析
• 3.3.6.3 TEM分析
• 3.3.6.4 恒电流充放电测试
• 3.4 本章小结
• 4/C结构和性能的影响'>第四章 铁源对LiFePO₄/C结构和性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4/C复合正极材料的制备'>4.2.1 LiFePO₄/C复合正极材料的制备
• 4.2.2 电极的制备及模拟电池的组装
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XRD分析
• 4.3.2 SEM分析
• 4.3.3 恒流充放电测试
• 4.3.4 交流阻抗测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 主要结论与创新点
• 5.1 主要结论
• 5.2 创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及专利