锂离子电池正极材料磷酸铁锂的可控合成及其改性研究

发布时间：2019-11-13 21:01

【摘要】：锂离子电池(Lithium-ion batteries,LIBs)系统作为当前最有前途的储能系统之一,是能源互联网、智能电网和新能源车载动力储能设备中的关键组成部分。磷酸铁锂(LiFePO4,LFP)因具有安全性出色、理论比容量高、循环性能优异等优点,成为锂离子电池界的热点正极材料。然而LiFePO4因自身低电子电导率和低锂离子扩散系数限制了其进一步应用。针对其实际应用中的问题,本论文结合颗粒形貌优化和材料表面修饰等手段对LiFePO4材料进行改性研究。主要研究内容如下:通过两步溶剂热法制备中空LiFePO4微球材料,在此基础上通过单因素法优化实验条件,研究不同实验参数对合成LiFePO4材料的影响规律,得到优化的中空LiFePO4微球合成的参数条件:合成时间4 h、反应溶剂为乙二醇、温度为180?C、pH值为7。经过参数优化制备的材料为纯相橄榄石型LiFePO4结构,同时具有空心结构的球体形貌。该三维结构能缩短体相中电子传输和Li+扩散距离,所得材料在0.1 C倍率下首次充放电比容量分别为145.3 mA·h/g和143.2 mA·h/g,在0.5 C、1 C、2 C和5 C下的放电比容量分别为130.4、117.5、101.3和82.7 mA·h/g,同时在0.1 C循环100次后容量损失低于5%。采用碳纳米卷(CNS)和抗坏血酸(Vc)两种材料对LiFePO4中空微球材料进行碳包覆改性,分别制备LFP/CNS和LFP/C复合材料,两者均保持LiFePO4中空微球的微观结构,并在球体表面实现均匀的碳包覆。LFP/CNS和LFP/C材料在0.1C下首次放电比容量达到160.3 mA·h/g和156.3 mA·h/g,两者在较高的不同倍率下循环60次后的容量保持率分别为94.5%和92.8%。碳包覆提高了材料的电子电导率,其电化学性能较纯相LiFePO4中空微球有很大提升。此外,LFP/CNS中形成了颗粒间导电网络,使材料整体性能进一步提升。利用原纤化纳米纤维素(NFC)良好的力学性能以及石墨烯极高的电子电导率,使用真空抽滤法以NFC、石墨烯与LiFePO4为前驱物制备出自支撑的柔性复合电极。柔性复合电极具有良好的力学柔性和弯折可靠性,其中的NFC和石墨烯形成三维导电框架,为LiFePO4提供高速的电子传导通道,进而减小电极在充放电过程中的极化现象,使柔性LiFePO4/石墨烯/NFC复合电极的电化学性能得到明显增强,在0.1 C下首次放电比容量为150.6 mA·h/g,在高倍率下循环60次后,容量保持率为95%。
【图文】：

锂离子电池,全球

图 1-1 全球锂离子电池应用量预测（2010-2020 年）[7]1.2 锂离子电池概述1.2.1 锂离子电池的发展锂离子电池作为储能装置大家族的后起之秀，其研究始于二十世纪中叶。到了冷战时期，航天航空、移动通讯等科技的迅猛发展和石油危机的频发，，使得人类社会对高性能储能装置的研发需求日益急迫。作为一种能量储存系统，锂离子电池在工作中涉及到的化学反应与现有大部分燃料和电池一样均为氧化还原反应，其本质均是电子从电池的负极通过外部负载最后流回至正极的过程。锂元素作为原子质量最小的金属元素，在所有金属中拥有较高的电子转移比例（33%）和最低的标准电极电势（约-3.0V）且环境相容性好，因此顺理成章地成为学术界近些年来的热点研究对象。早期的锂电池研究集中于金属锂负极体系，但该体系在长期使用出现锂枝晶生长刺穿隔膜进而导致内部短路引发电池自燃甚至爆炸的情况，严重影响了锂离

锂离子电池,工作原理图

Mizushima 发现了 LixCoO2在锂离子电池中应用的可能gh 也提出了 LixNiO2的潜在能力[10, 11]。又经过近十年的努索尼（Sony）公司推出了以碳为负极，钴酸锂（LiCoO2）锂离子电池，并将该技术命名并注册为“锂离子技术(Li-io电池开始广泛应用于人类社会的方方面面，对它的研究也成电池的结构和工作原理离子电池组成结构由正负极电极材料、电解液、隔膜、集正负极材料分别涂覆在金属集流体上；锂电池电解液一般为，为锂离子在电池内的输运充当介质；隔膜隔开电池的正负其本身不导电但允许锂离子通过。池的工作原理如图 1-2 所示，其本质是氧化还原反应，锂离嵌过程是其基本工作原理。正如“摇椅”一般，充电时电
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

【参考文献】