聚阴离子型锂离子电池正极材料的制备及改性研究

发布时间：2020-03-26 10:59

【摘要】：科学技术的飞速发展,不光带动了人们生活水平的极速提高,同时也加大了资源和能源的需求。而有限的化石能源逐渐耗尽,能源和环境问题日益突出。因此,新的清洁一次能源技术不断被人们开发出来,而储能设备的问题也随之而来。锂离子电池凭借其清洁环保、优质高效等诸多优点,成为现如今以及未来最具发展潜力的电化学储能设备,尤其在本世纪的新能源汽车革命中,锂离子电池将会是最重要的角色之一。正极材料是锂离子电池中最重要的部分,其决定了电池的电压平台、比容量并且影响着其它诸多电化学性能。在几十年的研究当中,聚阴离子型正极材料逐渐脱颖而出,其中尤其以磷酸盐系的磷酸铁锂(Li FeO_4)和磷酸钒锂(Li_3V_2(PO_4)_3)最受人们关注。他们拥有非常高的比容量和电压平台,结构稳定,且循环性能优良,无毒环保,成本低廉,是最有商业化潜力的锂离子电池正极材料。但它们仍存在缺点:电子电导率和锂离子扩散效率低。这也是目前人们的主要研究点。首先,本文从制备工艺的角度对Li_3V_2(PO_4)_3材料进行研究。以V_2O_5,Li_2CO_3和NH_4H_2PO_4分别为钒源、锂源和磷源,用酒石酸作为还原剂和碳源,在溶胶-凝胶法下制备Li_3V_2(PO_4)_3/C材料。先采用不同的煅烧温度(700℃和750℃)条件,考察其对材料样品物相的影响;后在液相反应阶段,采用不同的酸碱条件(PH=4和PH=9),考察不同条件下样品的物相差异、电化学性能差异。实验中用到XRD、SEM以及各种电化学测试手段。最终得出酸性条件(PH=4),750℃煅烧条件下所得样品具有最优的性能。在1C倍率下,3.0~4.3V和3.0~4.8V电压范围内,分别具有106.3mAh/g和133.4mAh/g的首次放电比容量。然后,本文创新性地引入类水滑石(层状双金属氢氧化物LDHs)材料,对LiFeO_4进行表面包覆改性研究。首先在碳热还原法下,以Li_2CO_3、FePO_4·4H_2O和NH_4H_2PO_4为主要原料,制备LiFeO_4。再以NiNO_3·6H_2O、Al(NO_3)_3·9H_2O和CO(NH_2)_2为原料,采用一步水热法制备了Ni-Al-LDHs材料。后用机械球磨的方式,按不同质量分数比(20%,40%,50%),将LDHs混入到LiFeO_4中。对所得复合材料进行一系列表征分析及电化学测试。最后得出,LDHs质量分数为20%时,复合材料拥有最佳的电化学性能,氧化峰和还原峰的电势差值明显减小,电化学可逆性加强。在1C倍率下,放电比容量达到了142mAh/g,较之原磷酸铁锂材料,有明显提升。最后,向LDHs材料中引入锂源,制备三元的Li-Ni-Al-LDHs材料,进一步探索LDHs材料对磷酸铁锂材料的改性作用。实验部分,同前一章节相似,分别使用碳热还原法和一步水热法制备LiFeO_4和LDHs材料。随后,按照全新的质量分数比(10%,15%,20%),用球磨的方式,将新的LDHs材料和LiFeO_4混合。最终经过一系列电化学测试,15%比例的样品表现出最优的性能,在1C倍率下,其放电比容量达到了150.2mAh/g。
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示意图,锂离子电池,工作原理,示意图

图 1-1 锂离子电池工作原理示意图[3]锂离子电池有着诸多极具潜力的优势，但同时另一方面也有它的缺点，如离子扩散效率低、有机电解液仍存在安全隐患等问题。因此，大量的学者都在努力研究更优质的新型电池材料，，以实现锂离子电池更高的能量密度、更长的循环寿

层状化合物,结构示意图

图 1-2 LiMO2层状化合物结构示意图[7]2001 年，Ohzuku 等[8]第一次研究了 LiNi0.5Mn0.5O2材料，并表明该材料拥有有较优的电化学性能。还指出 LiNi0.5Mn0.5O2拥有不同于以往典型层状化合物材料的结构，后者整体由 Li 层和 MO2层穿插形成层状结构，而前者的 Li 层
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM912

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