利用限域效应制备磷酸铁锂纳米复合材料及性能研究

发布时间：2020-06-16 09:36

【摘要】：磷酸铁锂正极材料具备良好的循环寿命、高度的安全性、绿色无污染、成本低廉等优点,具有广阔的应用前景。同样磷酸铁锂材料有不可避免的两个缺陷(电子电导率低,离子扩散速率慢),这正是导致该材料倍率性能较差的主要原因。本论文采用液相法-碳热还原结合的方式制备了磷酸铁锂纳米材料,并通过苯胺聚合限域效用限制材料颗粒尺寸来提高锂离子扩散速率,以及石墨烯表面修饰以改善材料的电子导电性等手段对磷酸铁锂材料进行了改性研究。系统地探究了苯胺聚合限域过程的实验条件,锂源的引入方式,石墨烯的复合量等因素对材料的晶型结构,表面形貌,物理性质以及电化学性能的影响。在液相反应中,苯胺聚合反应与磷酸铁的生成反应同时进行,产物是由聚苯胺包覆的磷酸铁初始颗粒。之后磷酸铁初始颗粒与醋酸锂固相研磨混匀,并加入小分子碳源,利用碳热还原制备了碳包覆磷酸铁锂纳米材料(m-LFP@C)。研究了苯胺添加量、铁磷比、蔗糖的量等实验参数条件对所合成的Li FePO_4材料的晶体结构、微观形貌和电化学性能等方面的影响规律。优化实验条件后得到了平均颗粒尺寸在40nm,比表面积为40.8m~2/g的m-LFP@C纳米材料,该材料在0.2C倍率下,放电容量为150.2 mAh/g,在1C、2C、5C、10C和20C倍率下放电比容量依次分别为133.4、123.8、101.6、78.3和48.5 mAh/g,1C倍率循环150圈后容量保持率86.8%。锂源的引入方式改变为H~+/Li~+离子交换后制备的碳包覆磷酸铁锂纳米材料(e-LFP@C),在0.2C倍率下,放电容量为154.7 mAh/g,在1C、2C、5C、10C和20C倍率下放电比容量依次分别为140.9、130.8、117.2、100.5和70.2 mAh/g。1C倍率下循环300圈后容量保持率为95.8%,10C倍率下循环1000圈后保持率为89.7%。循环和倍率性能相较通过固相混合引入锂源制备的m-LFP@C纳米都有所提升。将原料与石墨烯复合,通过H~+/Li~+离子交换引入锂源制备了材料平均颗粒尺寸在50nm,表面碳包覆层厚度约2nm,比表面积83.34m~2/g的循环和倍率性能都较为优秀的石墨烯/碳包覆磷酸铁锂纳米复合材料(e-LFP@C/RGO)。该复合材料在0.2C倍率下,放电容量为161.6 mAh/g,在1C、2C、5C、10C和20C倍率下放电比容量依次分别为151.2、145.3、133.8、118.5和89.1 mAh/g。1C倍率下循环300圈后容量保持率为96.1%,10C倍率下循环1000圈后容量保持率为97.2%。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ131.11;TB33
【图文】：

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图 1-1 锂离子电池工作原理示意图正极材料概述中，正极材料是电池性能好坏的制约因素，出发，正极材料需满足容量高、离子电子导、热力学和化学稳定性好、电位高、原料来生产中，到目前为止，能满足上述要求的材、钴、锰、钒、铁等元素的嵌锂化合物上。钒锂、磷酸铁锂等几种[18]。常见正极材料的当中，镍酸锂主要是 LiNiO2，由于合成工艺好[19]。钴酸锂主要是 LiCoO2，是典型的层状离子电池正极材料，且合成工艺相对简单，钴元素有毒，而且含量少价格高，成本也是[20]

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文酸铁锂材料的热稳定性，保证了锂离子电池的安全性。但是由于它，导致处在 a-c 面上，平行于 c 轴的 LiO6八面体中的锂离子的扩散，非线性锯齿形传递。这也是该材料离子电导率较低的缘故[28]。除键的诱导作用，减小了 Fe3+/Fe2+的费米能级，给磷酸铁锂材料提s Li+/Li）左右的脱嵌锂的电势[29]。

【参考文献】