磷酸铁锂表面纳米导电材料修饰改性研究

发布时间：2017-10-15 12:04

  本文关键词：磷酸铁锂表面纳米导电材料修饰改性研究

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【摘要】：近年来,Li FePO4(LFP)电池因理论容量较高、成本低廉、环境友好等特点,被广泛应用于锂离子动力电池市场。然而,LiFePO4正极材料的低电子电导率和低Li+扩散系数阻碍了其电化学性能的进一步提升,是目前亟待突破的技术瓶颈。针对上述问题,本论文以提高材料电子电导率及Li+扩散系数为目的,围绕LiFePO4正极材料表面改性技术展开了研究,具体研究内容如下:通过二步液相化学还原法,在LiFePO4正极材料表面进行纳米Cu微粒修饰,制备了LFP/Cu复合材料。研究不同工艺参数对Li FePO4表面纳米Cu微粒的成核速率、晶粒生长及材料电化学性能的影响规律,优化得出纳米Cu微粒的生长工艺:16 m L/L HCHO、pH=11.5、T=40?C、t=12 min。优化工艺制备的LFP/Cu复合材料在0.1C倍率下具有较高的首次放电比容量146.7 mAh/g,在0.5C、1C、2C和5C倍率下的放电比容量分别为141.5、128.5、112.1和88.3 mAh/g。分散在Li FePO4颗粒表面的纳米Cu微粒显著降低了材料接触阻抗,提高了电子电导率,减少了电极极化,使LiFePO4的倍率性能得到提高,但循环稳定性还有待改善。对基于Mo6+掺杂改性的LiFePO4正极材料进行表面纳米Cu微粒修饰,制备了LiFe0.85Mo0.05PO4/Cu复合材料。纳米Cu微粒在LiFe0.85Mo0.05PO4表面均匀分散,形成的导电网络有利于表面电子电导率的提升,Li Fe0.85Mo0.05PO4/Cu复合材料在0.1C倍率下的首次放电比容量达154.3 mAh/g。体相掺杂和表面修饰复合改性技术提高了LiFePO4材料的电子电导率与离子电导率,此外,Mo6+掺杂有效减少了电极极化,使Li Fe0.85Mo0.05PO4/Cu复合材料展示出较好的倍率性能,在不同倍率下的充放电容量均得到了提高,90次不同倍率循环后容量保持率达89.5%。此外,以石墨烯为原料制备碳纳米卷(CNSs),并与LiFePO4正极材料复合制备了LFP/CNSs复合材料,研究不同表面张力的溶液对CNSs的产量及卷曲程度的影响。LFP/CNSs复合材料中少量的小管径CNSs分散在LiFePO4颗粒间,对复合材料振实密度影响较小。LFP/CNSs复合材料在0.1C倍率下,充放电比容量分别为156.2和153.9 mAh/g,约为理论容量的91%,在0.5C、1C、2C、5C倍率下的放电比容量分别可达148.5、139.2、131.6和119.0 mAh/g,90次不同倍率循环后容量保持率为96.2%,表现出了优异的高倍率电化学性能和循环稳定性。
【关键词】：LiFePO_4 表面改性 纳米Cu微粒 碳纳米卷
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 锂离子电池简介12-15
• 1.2.1 锂离子电池的发展12
• 1.2.2 锂离子电池结构及原理12-13
• 1.2.3 锂离子电池正极材料13-15
• 1.3 LiFePO_4正极材料研究现状15-19
• 1.3.1 LiFePO_4的结构特性及充放电机理15-16
• 1.3.2 LiFePO_4的合成工艺16-18
• 1.3.3 LiFePO_4的改性研究18-19
• 1.4 本论文主要研究内容19-21
• 第二章 实验方法及测试表征21-27
• 2.1 实验试剂和设备21-23
• 2.1.1 主要实验试剂21-22
• 2.1.2 主要实验设备22-23
• 2.2 材料的物理性质表征23-24
• 2.3 电池的组装及电化学性能表征24-27
• 2.3.1 正极片的制备24-25
• 2.3.2 扣式电池的组装25
• 2.3.3 恒流充放电测试25-26
• 2.3.4 交流阻抗谱（EIS）测试26-27
• 第三章 LFP/Cu复合材料的合成及优化27-44
• 3.1 引言27
• 3.2 LFP/Cu复合材料的制备27-29
• 3.2.1 LiFePO_4正极材料的制备27-28
• 3.2.2 LFP/Cu复合材料的制备28-29
• 3.3 LFP/Cu复合材料制备的参数优化29-37
• 3.3.1 液相化学还原法制备纳米Cu微粒的影响因素29-30
• 3.3.2 还原剂浓度的优化30-32
• 3.3.3 溶液pH值的优化32-34
• 3.3.4 反应温度的优化34-35
• 3.3.5 反应时间的优化35-37
• 3.4 LFP/Cu复合材料的结构及性能表征37-42
• 3.4.1 LFP/Cu复合材料的结构分析37-38
• 3.4.2 LFP/Cu复合材料的形貌分析38-39
• 3.4.3 LFP/Cu复合材料的XPS分析39
• 3.4.4 LFP/Cu复合材料的电化学性能分析39-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第四章 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的制备及性能研究44-51
• 4.1 引言44
• 4.2 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的制备44-45
• 4.2.1 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4正极材料的制备44
• 4.2.2 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的制备44-45
• 4.3 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的结构及性能表征45-50
• 4.3.1 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的结构分析45-46
• 4.3.2 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的形貌分析46-47
• 4.3.3 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的XPS分析47-48
• 4.3.4 LiFe_(0.85)Mo_(0.05)PO_4/Cu复合材料的电化学性能分析48-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第五章 LFP/CNSs复合材料的制备及性能研究51-61
• 5.1 引言51-52
• 5.2 CNSs的制备52-54
• 5.2.1 CNSs的制备52
• 5.2.2 溶液表面张力的影响52-54
• 5.3 CNSs的结构及热稳定性54-56
• 5.3.1 CNSs的形貌分析54-56
• 5.3.2 CNSs的TG分析56
• 5.4 LFP/CNSs复合材料的制备56-57
• 5.5 LFP/CNSs复合材料的结构及性能表征57-59
• 5.5.1 LFP/CNSs复合材料的形貌分析57
• 5.5.2 LFP/CNSs复合材料的电化学性能分析57-59
• 5.6 本章小结59-61
• 第六章 结论与展望61-63
• 6.1 结论61-62
• 6.2 下一步工作展望62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士期间取得的研究成果68-69

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