磷酸铁锂正极材料的制备及其电化学性能的研究

发布时间：2017-10-11 06:46

  本文关键词：磷酸铁锂正极材料的制备及其电化学性能的研究

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【摘要】：磷酸铁锂正极材料以其高稳定性能、高安全性能和价格优势等突出特点,在目前应用的锂离子电池正极材料中占有重要地位。但因材料较低的电子和离子传导率,使得其在大电流条件使用时电化学性能表现较差,有限的能量密度与现有的动力能源系统还有一定差距。为解决磷酸铁锂导电性差等缺陷,优化合成工艺,改善材料电化学性能,本文通过XRD、SEM、TEM、CV和充放电测试等多种表征手段,系统的研究了对磷酸铁锂材料进行表面包覆、金属离子掺杂和多元材料复合的改性工作。采用固相合成技术,选择二价铁源和三价铁源为原料合成磷酸铁锂,对合成工艺、包覆原料等影响因素进行了探索。经结构、形貌表征分析,碳元素含量较低的柠檬酸和葡萄糖包覆效果较优,通过扫描、透射电镜可以观察到材料表面存在大量微孔结构,外层包覆2-5 nm无定形态碳膜。电化学测试结果表明,以磷酸铁、氢氧化铁为原料合成的磷酸铁锂材料,0.2C倍率下循环50周后放电容量分别达到155 m Ah·g-1和143.7 m Ah·g-1,容量保持率均在98%以上。采用溶胶凝胶和多元醇的软化学合成法制备出粒径较小的磷酸铁锂材料。考察了溶剂环境对溶胶凝胶法合成的影响,N,N—二甲基甲酰胺(DMF)溶剂环境合成的材料形貌规整,粒度分布均匀,1 C倍率放电容量为128.5m Ah·g-1,大电流下的材料容量有所改善。其中,采用DEG为溶剂的多元醇法,在130℃油浴回流6 h可直接合成磷酸铁锂,材料颗粒尺寸在100 nm以下,0.2C倍率下初始放电容量为144.1 m Ah·g-1。多元醇合成法具有反应时间短,温度较低等优势,具有良好的发展前景。在磷酸铁锂材料改性的研究方面,主要采用溶胶凝胶法合成了钒、锰掺杂磷酸铁锂材料以及(1-x)Li Fe PO4·x Li Mn PO4、(1-x)Li Fe PO4·x Li3V2(PO4)3复合材料。通过使用H2O2高度分散V2O5技术,实现钒在前驱体中分布均匀。研究结果表明,掺杂摩尔比Fe:V=0.97:0.03时在5 C倍率下放电容量117.2 m Ah·g-1,循环30周后放电容量仍保持在110 m Ah·g-1以上,钒离子的掺入对材料的容量有较好的改善,可以提高电子的传导能力和锂离子的迁移速率。当复合摩尔比Fe:V=0.8:0.2时,1C倍率下(1-x)Li Fe PO4·x Li3V2(PO4)3材料初始容量137.1 m Ah·g-1,10 C倍率下放电容量仍能保持在较高水平。相对于掺杂,复合材料的容量增加了在Li3V2(PO4)3特征平台的充放,平均工作电压更高,从而提升了材料整体的能量密度。
【关键词】：锂离子电池 磷酸铁锂 表面包覆 掺杂 复合材料
【学位授予单位】：新疆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 LiFePO_4正极材料简述10
• 1.3 LiFePO_4材料主要合成方法10-12
• 1.4 LiFePO_4材料的改性研究12-13
• 1.5 选题依据和研究内容13-15
• 2 实验部分15-19
• 2.1 主要试剂及常用仪器15-17
• 2.2 材料结构和形貌表征17
• 2.2.1 X射线粉末衍射（XRD）分析17
• 2.2.2 傅立叶变换红外吸收光谱（FT-IR）分析17
• 2.2.3 扫描（SEM）、透射电子显微镜（TEM）分析17
• 2.3 材料电化学性能表征17-19
• 2.3.1 极片制备及电池组装17-18
• 2.3.2 充放电性能测试18
• 2.3.3 循环伏安测试（CV）18
• 2.3.4 交流阻抗测试（EIS）18-19
• 3 高温固相法制备Li FePO4材料及性能研究19-42
• 3.1 不同铁源对LiFePO_4正极材料制备及电性能的影响19-37
• 3.1.1 草酸亚铁(FeC_2O_4)为铁源合成LiFePO_4正极材料19-25
• 3.1.2 氧化铁(Fe_2O_3)为铁源合成LiFePO_4正极材料25-27
• 3.1.3 磷酸铁(FePO_4)为铁源合成LiFePO_4正极材料27-33
• 3.1.4 氢氧化铁(Fe(OH)_3)为铁源合成LiFePO_4正极材料33-37
• 3.2 不同碳包覆原料对LiFePO_4正极材料制备及电性能的影响37-41
• 3.2.1 材料制备37-38
• 3.2.2 材料结构表征38-39
• 3.2.3 材料电化学性能表征39-41
• 3.3 本章小结41-42
• 4 软化学法制备LiFePO_4正极材料及性能研究42-52
• 4.1 溶胶凝胶法合成LiFePO_4正极材料42-48
• 4.1.1 材料制备43
• 4.1.2 材料的结构表征43-45
• 4.1.3 材料的电化学表征45-48
• 4.2 多元醇法合成LiFePO_4正极材料48-51
• 4.2.1 材料制备48-49
• 4.2.2 材料的结构表征49-50
• 4.2.3 材料的电化学表征50-51
• 4.3 本章小结51-52
• 5 LiFePO_4正极材料的改性研究52-68
• 5.1 LiFePO_4材料掺杂金属锰离子的改性研究53-55
• 5.1.1 材料制备53-54
• 5.1.2 材料结构表征54
• 5.1.3 材料电化学表征54-55
• 5.2 LiFePO_4材料掺杂金属钒离子的改性研究55-60
• 5.2.1 材料制备55-56
• 5.2.2 材料结构表征56-58
• 5.2.3 材料电化学表征58-60
• 5.3 (1-x)LiFePO_4·xLiMnPO_4复合材料的改性研究60-62
• 5.3.1 材料制备60
• 5.3.2 材料结构表征60-61
• 5.3.3 材料电化学表征61-62
• 5.4 (1-x)LiFePO_4·xLi_3V_2(PO_4)_3复合材料的改性研究62-66
• 5.4.1 材料制备62
• 5.4.2 材料结构表征62-64
• 5.4.3 材料电化学表征64-66
• 5.5 本章小结66-68
• 结论68-70
• 参考文献70-77
• 在读期间发表的论文77-78
• 后记78

【参考文献】

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1 邢宇;徐蓓;刘振新;李超;张爱勤;张林森;王立臻;方少明;;液相合成纳米磷酸铁锂材料:沉淀方法与煅烧温度的影响[J];功能材料;2012年17期

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本文编号：1011073