锂离子电池正极材料LiMPO4（M=Fe，V）的制备及性能研究

论文摘要

LiFePO4和Li3V2（PO4）3材料以其无毒、电压平台高、比容量高、循环性能及安全性能好等优点成为锂离子电池正极材料的研究热点之一。但是该材料导电率较低,在大电流充放电的条件下,放电性能有待改善。研究表明,对LiMPO4（M=V、Fe）进行掺杂或包覆改性可以改善其电化学性能。本文主要采用了球磨高温固相法,针对磷酸亚铁锂进行了碳掺杂/包覆改性;同时采用溶胶-凝胶法和碳热还原法合成了新材料磷酸钒锂。通过粒度分布（Particle Size Distribution）、扫描电镜（Scanning Electron Microscope）及X射线衍射（X-Ray Diffraction）分析产物的形貌及结构;采用电化学测试研究合成材料的充放电比容量、循环及倍率性能。研究发现,当Li/Fe（atom ratio）=1,选用LiOH·H2O为锂源,在Ar/H2气体保护下,350℃预烧4h,650℃烧结10h时制备的LiFePO4材料性能较优,首次放电比容量为98mAh/g,放电效率大于88%,具有较好的可逆性能。使用不同碳前驱体对磷酸亚铁锂进行掺碳改性,结果表明以蔗糖为碳前驱体合成的LiFePO4/C材料性能最好,0.1C充放电时,放电比容量可达138mAh/g,循环50次后,材料的放电比容量仍为133mAh/g,容量保持率为95.7%,表现出良好的循环性能。0.1C充电,1C放电时,放电比容量在84mAh/g87mAh/g之间,有较好的大电流放电性能。说明掺碳能有效的提高LiFePO4的电化学性能。本实验分别采用溶胶-凝胶法和碳热还原法制备了新材料磷酸钒锂。两种方法分别以Li2CO3、LiOH·H2O、LiF、LiAc·H2O为锂源,对锂源进行了比较,结果表明,以LiF为锂源时磷酸钒锂的首次放电比容量明显高于以其他三种物质为锂源时。实验优选以LiF为锂源,采用碳热还原法制备Li3V2（PO4）3材料,并优化了焙烧工艺,发现:N2气保护下,700℃焙烧8h更有利于合成性能良好的磷酸钒锂材料。0.1C充放电时放电比容量达到111mAh/g,50次循环后仍为105mAh/g,容量保持率达94.6%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 锂离子电池正极材料
• 4 正极材料'>1.3 LiFePO₄正极材料
• 1.3.1 橄榄石型磷酸亚铁锂的结构
• 1.3.2 磷酸亚铁锂的电化学性能
• 1.3.3 磷酸亚铁锂的合成方法
• 1.3.4 磷酸亚铁锂的改性研究进展
• 3V₂（PO₄）₃ 正极材料'>1.4 Li₃V₂（PO₄）₃正极材料
• 3V₂（PO₄）₃ 正极材料的结构及特点'>1.4.1 Li₃V₂（PO₄）₃正极材料的结构及特点
• 3V₂（PO₄）₃ 正极材料的电化学行为'>1.4.2 Li₃V₂（PO₄）₃正极材料的电化学行为
• 3V₂（PO₄）₃ 正极材料的合成方法'>1.4.3 Li₃V₂（PO₄）₃正极材料的合成方法
• 1.5 论文工作的主要内容和意义
• 1.5.1 论文工作意义
• 1.5.2 论文工作主要内容
• 第2章 实验设备与测试
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 实验仪器设备
• 2.2 材料制备及电池组装
• 2.2.1 电极材料的制备
• 2.2.2 研究电极的制备
• 2.2.3 扣式电池的组装
• 2.3 物化性能表征
• 2.3.1 粉体粒度分布测试（LSD）
• 2.3.2 扫描电镜分析（SEM）
• 2.3.3 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.4 电化学性能测试
• 2.4.1 循环伏安测试
• 2.4.2 充放电及循环性能测试
• 2.4.3 倍率放电性能测试
• 2.4.4 电化学阻抗谱测试
• 第3章 磷酸亚铁锂的合成
• 3.1 单因素实验分析
• 3.1.1 锂铁比对产物性能的影响
• 3.1.2 锂源对产物性能的影响
• 3.1.3 焙烧温度对产物性能的影响
• 3.1.4 焙烧时惰性环境对产物性能的影响
• 3.1.5 预烧前后掺碳对产物性能的影响
• 3.2 正交试验结果与讨论
• 3.2.1 正交实验极差分析
• 3.2.2 验证实验
• 3.3 本章小结
• 第4章 不同碳前驱体对磷酸亚铁锂的改性研究
• 4.1 纯磷酸亚铁锂的电化学性能
• 4/C 材料'>4.2 以乙炔黑为碳前驱体合成LiFePO₄/C 材料
• 4.2.1 XRD 表征及分析
• 4.2.2 表面形貌分析
• 4.2.3 电化学测试及分析
• 4/C 材料'>4.3 以葡萄糖为碳前驱体合成LiFePO₄/C 材料
• 4.3.1 XRD 表征及分析
• 4.3.2 表面形貌分析
• 4.3.3 电化学性能分析
• 4/C 材料'>4.4 以蔗糖为碳前驱体合成LiFePO₄/C 材料
• 4.4.1 XRD 表征及分析
• 4.4.2 表面形貌分析
• 4.4.3 电化学性能分析
• 4/C 材料比较'>4.5 不同碳前躯体合成LiFePO₄/C 材料比较
• 4.6 本章小结
• 第5章 磷酸钒锂的研究
• 3V₂（PO₄）₃'>5.1 溶胶-凝胶法制备Li₃V₂（PO₄）₃
• 5.1.1 XRD 表征及分析
• 5.1.2 表面形貌分析
• 5.1.3 电化学测试及分析
• 5.1.4 不同锂源对材料性能的影响
• 3V₂（PO₄）₃'>5.2 碳热还原法制备Li₃V₂（PO₄）₃
• 5.2.1 XRD 表征及分析
• 5.2.2 表面形貌分析
• 5.2.3 电化学测试及分析
• 5.2.4 焙烧工艺的优化
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢