橄榄石型LiFePO4的合成与改性

论文摘要

橄榄石型LiFePO4因具有价廉环保、比容量高、循环性能好、安全性高等优点,被认为是最具应用前景的新型锂离子电池正极材料。本课题采用水热法制备了LiFePO4,研究了反应温度与反应时间对材料的结构与电化学性能的影响。通过碳包覆制备了LiFePO4/C,研究不同碳源、不同包碳方法及包碳量对其电化学性能的影响。通过Ni、Mn元素的掺杂,研究体相掺杂对材料的结构、形貌及电化学性能的影响。利用DTA研究了原料的吸放热情况,通过XRD、SEM、XPS等测试技术对合成样品的结构、表面形态、价态及成分进行了系统的研究,利用充放电测试研究了材料的容量和循环性能,利用CV、EIS研究了材料中Li+的脱嵌和镶嵌反应。研究结果表明:LiFePO4的结构属于正交晶系,空间群为Pnmb;最佳水热条件下合成的LiFePO4在0.1C下的首次放电容量为91.44mAh·g-1,50次循环后的放电容量为首次的71.57%;碳包覆使LiFePO4的容量与循环性能得到较大的改善,以蔗糖为碳源、采用直接退火法得到的包覆4mass%碳的LiFePO4/C在0.1C下的首次充电容量为169.34mAh·g-1,接近理论值,首次放电容量为117.04mAh·g-1,50次循环后的容量为首次放电容量的89.67%;Mn元素的掺杂使LiFePO4的晶胞体积V增大,材料的容量得到显著提高,LiFe0.9Mn0.1PO4在0.1C下首次放电容量达到132.49mAh·g-1,在大电流0.5C下首次放电容量为64.16mAh·g-1,50次循环后,放电容量没有衰减;Ni元素的掺杂,使材料的晶格常数变小,增强了材料的结构稳定性,较好的提高了材料循环稳定性,LiFe0.8Ni0.2PO4在0.1C下首次放电容量为84.69mAh·g-1,50次循环后,放电容量为首次的108.72%;（NiMn）元素的混合掺杂使材料的晶格常数a、c、V减小,虽然材料的容量有所下降,但较好地提高了材料的循环稳定性,其中LiFe0.8（NiMn）0.2PO4的循环稳定性最好,其首次放电容量为58.70mAh·g-1,50次循环后的放电容量为首次的104.48%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 电池的发展
• 1.3 锂离子电池的发展
• 1.3.1 锂电池的分类
• 1.3.2 锂离子电池的发展
• 1.4 锂离子电池的工作原理
• 1.5 锂离子电池负极材料
• 1.5.1 碳素材料
• 1.5.2 金属氧化物负极材料
• 1.5.3 合金材料
• 1.5.4 磷化物和氮化物
• 1.6 电解质和隔膜
• 1.6.1 液态电解质
• 1.6.2 聚合物电解质
• 1.6.3 隔膜
• 1.7 锂离子电池正极材料
• 1.7.1 正极材料选择应考虑的因素
• 1.7.2 正极材料研究现状
• 4'>1.8 橄榄石型LiFePO₄
• 4 的结构'>1.8.1 LiFePO₄的结构
• 4 的制备方法'>1.8.2 LiFePO₄的制备方法
• 4 的充放电原理'>1.8.3 LiFePO₄的充放电原理
• 4 的改性研究进展'>1.9 LiFePO₄的改性研究进展
• 1.9.1 表面包覆导电材料
• 1.9.2 掺杂高价金属离子
• 1.9.3 提高离子扩散速率
• 1.10 本课题的选题思路及研究内容
• 第2章 材料及试验方法
• 2.1 实验原料及仪器设备
• 2.2 实验材料合成方法
• 4 的合成方法'>2.2.1 LiFePO₄的合成方法
• 4/C 的合成方法'>2.2.2 LiFePO₄/C 的合成方法
• 2.2.3 Ni、Mn 掺杂的样品制备方法
• 2.3 电池装配原料及配方设计
• 2.4 分析测试方法
• 2.4.1 差热分析（DTA）
• 2.4.2 粉末X 射线多晶体衍射（XRD）分析
• 2.4.3 扫描电子显微镜测试（SEM）
• 2.4.4 X 射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.4.5 充放电测试
• 2.4.6 循环伏安测试（CV）
• 2.4.7 电化学阻抗谱测试（EIS）
• 4的最佳水热合成工艺'>第3章 LiFePO₄的最佳水热合成工艺
• 3.1 引言
• 4 的最佳水热合成工艺的确定'>3.2 LiFePO₄的最佳水热合成工艺的确定
• 3.2.1 最佳水热温度的确定
• 3.2.2 最佳水热反应时间的确定
• 3.3 本章小结
• 4/C 的合成与表征'>第4章 LiFePO₄/C 的合成与表征
• 4.1 引言
• 4.2 碳源的选择
• 4.2.1 DTA 分析
• 4.2.2 碳源的确定
• 4.3 最佳包碳方法的确定
• 4.3.1 不同包碳方法
• 4.3.2 SEM 测试
• 4.3.3 循环伏安测试
• 4.3.4 充放电测试
• 4.4 最佳包覆碳量的确定
• 4.4.1 相组成分析与结构分析
• 4.4.2 循环伏安测试
• 4.4.3 充放电测试
• 4.4.4 EIS 测试
• 4.5 本章小结
• 4的Ni、Mn 掺杂改性与表征'>第5章 LiFePO₄的Ni、Mn 掺杂改性与表征
• 5.1 引言
• 1-xMn_xPO₄ 的制备与表征'>5.2 LiFe_1-xMn_xPO₄的制备与表征
• 5.2.1 原料化学计量配比
• 5.2.2 相组成分析与结构分析
• 5.2.3 SEM 测试
• 5.2.4 XPS 测试
• 5.2.5 循环伏安测试
• 5.2.6 充放电测试
• 5.2.7 EIS 测试
• 1-xNi_xPO₄ 的制备与表征'>5.3 LiFe_1-xNi_xPO₄的制备与表征
• 5.3.1 原料化学计量配比
• 5.3.2 相组成分析与结构分析
• 5.3.3 SEM 测试
• 5.3.4 循环伏安测试
• 5.3.5 充放电测试
• 5.3.6 EIS 测试
• 1-x（NiMn）_xPO₄ 的制备与表征'>5.4 LiFe_1-x（NiMn）_xPO₄的制备与表征
• 5.4.1 相组成分析与结构分析
• 5.4.2 SEM 测试
• 5.4.3 循环伏安测试
• 5.4.4 充放电测试
• 5.4.5 EIS 测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢