碳纳米材料改性磷酸铁锂及其锂离子电池性能研究

发布时间：2019-12-03 03:54

【摘要】：橄榄石型结构的磷酸铁锂被认为是应用在便携式电子产品和电动汽车上理想的正极材料之一。磷酸铁锂具有价格低廉、较高的充放电比容量、绿色无毒、良好的热稳定性等优点。但是磷酸铁锂本身具有制备工艺复杂、锂离子扩散慢和导电性差等缺点,这些缺点会导致磷酸铁锂本身的放电比容量低,循环稳定性差等问题。本文通过对磷酸铁锂粒子进行炭纳米层包覆,以增强粒子导电性,之后再利用(氮掺杂)碳纳米管一维结构和导电性好的特点,将其作为导电剂分散于炭包覆的磷酸铁锂间,以增强粒子间的导电能力,从而改善磷酸铁锂的比容量、倍率性和循环寿命等。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、比表面及孔结构分析和热重分析(TGA)等表征材料的组成及结构形态。利用恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗等手段对材料的电化学性能进行测试。首先,以葡萄糖为碳源,采用热解法制备炭层包覆磷酸铁锂(C@LFP)。探究了热处理温度、葡萄糖的加入量等对C@LFP组织结构及电化学性能的影响。确定了制备温度为600℃,磷酸铁锂和葡萄糖投料质量比为10:1的制备C@LFP的最佳条件。葡萄糖热解在磷酸铁锂表面形成炭包覆层,增强了粒子导电性。电化学阻抗谱结果表明,C@LFP的电荷传递阻抗显著降低。恒电流充放电测试显示,C@LFP在0.1C倍率放电时,首次放电比容量为144.8 mAh·g-1,高于纯相磷酸铁锂的133.7 mAh·g-1。C@LFP在1C倍率下,经过200次循环后比容量从120.7mAh·g-1下降到113.6 mAh·g-1,保持率为94.1%。而LFP在1C倍率下,比容量从106 mAh·g-1下降到93.5 mAh·g-1,保持率为88.2%。在0.1C倍率下,炭包覆处理使磷酸铁锂比容量提高了8.3%。为进一步改善磷酸铁锂性能,分别以碳纳米管(CNTs)和氮掺杂碳纳米管(NCNTs)作为导电剂,以增强C@LFP粒子间导电能力。结果表明,CNTs的掺杂量为3 wt%时制备的CNTs-C@LFP,在0.1C倍率下的首次放电比容量为158.6mAh·g-1。NCNTs导电剂则是首先合成聚吡咯包覆碳纳米管(PPy@CNTs),然后将其与C@LFP混合,热处理使PPy@CNTs转化成NCNTs,从而得到以NCNTs为导电剂的NCNTs-C@LFP。研究表明,NCNTs均匀分散于C@LFP粒子间,从而形成以磷酸铁锂表面炭包覆层和磷酸铁锂粒子间的NCNTs构成的导电网络,在PPy@CNTs的掺杂量仅为1wt%时,在0.1C倍率下磷酸铁锂比容量则达162.3mAh·g-1。即,经炭包覆和氮掺杂碳纳米管掺杂改性处理后得到的NCNTs-C@LFP的比容量,较纯LFP提高21%,同时,经碳包覆和氮掺杂碳纳米管添加的磷酸铁锂也显示出改善的倍率和充放电循环性能。
【图文】：

示意图,锂离子电池,充放电原理,示意图

1.绪论池构成的主要组成部分包括电池的上下极壳、正极（包括活材料）、电解质。目前的锂离子电池主要是以含锂化为负极。在对锂离子电池进行恒流充放电测试的过程回移动，这就是锂离子电池。如图 1.1，对电池进行有锂离子产生，产生的锂离子经电解液运动到负极具有较多的微孔，从正极移动来的锂离子会嵌入到碳和电池的容量成正比。放电时则相反，负极中的锂离

示意图,晶体结构,示意图,充放电原理

图 1.2 LiFePO4晶体结构示意图.1.2 Schematic diagram of LiFePO4crystal structure电原理充放电原理[40]见图 1.3。在电池体系中，与极之间的是隔膜。隔膜的作用是将正负极分动，但不允许电子通过隔膜。负极主要是碳锂离子电池正极材料，充电时会发生氧化反中脱嵌出来，经过隔膜向负极迁移；放电中脱嵌出来，经电解液、隔膜重新回到正极来回移动，移动方向与锂离子的方向一致，酸铁锂的充放电原理可以看到，，锂离子和电离子的迁移速率与电子的迁移速率要保持
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

【参考文献】