锂离子电池正极材料磷酸钒锂的制备及性能研究

发布时间：2017-10-12 08:18

  本文关键词：锂离子电池正极材料磷酸钒锂的制备及性能研究

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【摘要】： 自从1990年Sony公司将锂离子电池产业化后,锂离子电池已经成为目前最有效的储能电源系统,并广泛应用于通讯产品、数码产品、混合电动汽车和电动汽车等领域。但是,随着人们对于能量更高、寿命更长、安全性更好的锂离子电池的追求,现有的工业化应用材料如正极LiCoO_2和负极石墨已经难以满足。因此,科研工作者们正积极的开发新型电极材料以满足未来锂离子电池的发展需求。众所周知,正极材料是锂离子电池中最关键的部分,因为它在很大程度上决定了电池的整体成本、能量、使用寿命及安全性能等。本硕士论文主要是研究新型的锂离子电池正极材料Li_3V_2(PO_4)_3。 在论文第一章中,作者简要地介绍了电池的发展历史和锂离子电池的结构及工作原理,并综述了锂离子电池常见电极及电解质材料以及磷酸钒锂正极材料的研究进展。 在第二章中,主要介绍了本论文中所用到的实验仪器和方法,详细阐述了实验用扣式电池的制备过程以及常用的结构和电化学测试手段。 在第三章中,作者采用固相碳热还原法以蔗糖为碳源合成了具有单斜结构的Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料。考察了烧结温度和蔗糖添加量对Li_3V_2(PO_4)_3/C物理性能和电化学性能的影响。结果表明,在750oC、蔗糖添加量为n(蔗糖):n(LVP)=0.4:1摩尔比时合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品具有最好的电化学性能,尤其是倍率性能。 第四章是在上一章的基础上着重研究了四种不同碳源即柠檬酸、葡萄糖、PVDF和淀粉对合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C复合材料的物理性能和电化学性能的影响。残碳量测定,发现基于柠檬酸合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品的残碳量最低,为1.33%。电化学测试表明,基于PVDF碳源合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品的阻抗最小,具有最好的倍率性能。 在第五章中,作者还采用了溶胶-凝胶法,以草酸为络合剂、麦芽糖为碳源合成了具有单斜结构的Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料,并对材料的物理性质和电化学性能进行了研究。着重考察了两个重要的合成因素:烧结温度和残碳量。结果表明,电化学性能最好的样品是在750oC下合成的残碳量为11.6 wt%的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品。在3.0-4.3 V电压范围内,从0.5C(125 mAh g-1)到5C(116mAh g-1)容量只有7.2%的衰减,甚至在10C下还高达82 mAh g-1。 在第六章中,作者用三种不同的方法CV、GITT和EIS对Li_3V_2(PO_4)_3/C中锂离子的扩散系数( Ltriu+eD和Lapi+pD )进行了测定。结果表明,由CV测得的DLi+在10-10-10-11 cm2 s-1数量范围内;EIS测得的单相区内的真实扩散系数为10-9-10-10 cm2 s-1;而用GITT测得的Ltriu+eD和Lapi+pD分别为~10-9 cm2 s-1和10-8-10-13 cm2 s-1。另外,对于单相区内的真实扩散系数,这三种方法算出的结果比较吻合,在10-9-10-10 cm2 s-1范围内。 最后,在第七章中,作者对本论文的创新和不足之处进行了总结并对未来的研究工作提出了展望。
【关键词】：锂离子电池 正极材料 磷酸钒锂 碳热还原法 溶胶-凝胶法 碳源 碳包覆 倍率性能 扩散系数
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-50
• 1.1 引言11-17
• 1.1.1 电池的发展史11-13
• 1.1.2 锂离子电池概述13-17
• 1.1.2.1 锂离子电池的工作原理13-14
• 1.1.2.2 锂离子电池的结构14-15
• 1.1.2.3 锂离子电池的类型15
• 1.1.2.4 锂离子电池的特点15-17
• 1.2 常见的锂离子电池关键材料17-33
• 1.2.1 锂离子电池正极材料17-27
• 1.2.1.1 钴酸锂（LiCoO_2）正极材料18-20
• 1.2.1.2 锰酸锂（LiMn_2O_4）正极材料20-22
• 1.2.1.3 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4 正极材料22-24
• 1.2.1.4 磷酸铁锂（LiFePO_4）正极材料24-27
• 1.2.2 锂离子电池负极材料27-32
• 1.2.2.1 碳类负极材料27-29
• 1.2.2.2 过渡金属氧化物负极材料29-31
• 1.2.2.3 钛酸锂（Li_4Ti_5O_(12)）负极材料31-32
• 1.2.3 锂离子电池电解质体系32-33
• 1.3 磷酸钒锂（Li_3V_2(PO_4)3）正极材料的研究进展33-44
• 1.3.1 Li_3V_2(PO_4)_3 的结构和电化学反应特性34-38
• 1.3.2 Li_3V_2(PO_4)_3 的改性研究38-44
• 1.3.2.1 碳包覆38-42
• 1.3.2.2 金属掺杂42-44
• 1.4 本论文的选题背景和研究内容44-45
• 参考文献45-50
• 第二章 实验方法与仪器50-58
• 2.1 实验药品50-51
• 2.2 材料的物理性能测试51-53
• 2.2.1 物相分析51
• 2.2.2 表面形貌及元素分析51-52
• 2.2.3 微观结构分析52
• 2.2.4 激光粒度分析（PSD）52-53
• 2.2.5 热重分析53
• 2.3 材料的电化学性能测试53-58
• 2.3.1 电极制备53-54
• 2.3.2 电池组装54-55
• 2.3.3 电化学性能测试55-58
• 第三章 固相碳热还原法制备Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料58-76
• 3.1 引言58-59
• 3.2 实验部分59-60
• 3.2.1 碳热还原法合成Li_3V_2(PO_4)3/C59-60
• 3.2.2 结构和电化学性能表征60
• 3.3 实验结果及讨论60-74
• 3.3.1 烧结温度对Li_3V_2(PO_4)_3/C晶体结构、形貌及电化学性能的影响60-69
• 3.3.2 蔗糖添加量对Li_3V_2(PO_4)_3/C晶体结构、形貌及电化学性能的影响69-74
• 3.4 本章小结74-75
• 参考文献75-76
• 第四章 不同碳源对Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料电化学性能的影响研究76-90
• 4.1 引言76
• 4.2 实验部分76-77
• 4.2.1 基于不同碳源合成Li_3V_2(PO_4)_3/C76
• 4.2.2 结构和电化学性能表征76-77
• 4.3 实验结果及讨论77-88
• 4.4 本章小结88-89
• 参考文献89-90
• 第五章 溶胶-凝胶法制备Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料90-113
• 5.1 引言90
• 5.2 实验部分90-92
• 5.2.1 溶胶-凝胶法合成Li_3V_2(PO_4)_3/C90-92
• 5.2.2 结构和电化学性能表征92
• 5.3 实验结果及讨论92-111
• 5.3.1 烧结温度对Li_3V_2(PO_4)_3/C 晶体结构、形貌及电化学性能的影响92-101
• 5.3.2 残碳量对Li_3V_2(PO_4)_3/C 晶体结构、形貌及电化学性能的影响101-111
• 5.4 本章小结111-112
• 参考文献112-113
• 第六章 Li_3V_2(PO_4)_3 中锂离子扩散系数的测定113-126
• 6.1 引言113-114
• 6.2 实验部分114-115
• 6.3 实验结果及讨论115-124
• 6.3.1 循环伏安法115-118
• 6.3.2 恒电流间歇滴定法118-121
• 6.3.3 电化学阻抗谱法121-124
• 6.4 本章小结124-125
• 参考文献125-126
• 第七章 论文总述及未来工作展望126-128
• 7.1 本论文的创新点和研究意义126-127
• 7.2 本论文的不足之处127
• 7.3 进一步研究展望127-128
• 附录一 攻读硕士期间发表的论文128-129
• 致谢129

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 刘正;Li_3V_2(PO_4)_3正极材料制备及回收再利用[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 曾庆红;锂离子电池正极材料Li_3V_2(PO_4)_3/C的制备及性能研究[D];东北石油大学;2012年

3 张乐;锂离子电池正极材料磷酸亚铁锂和磷酸钒锂的制备与表征[D];华南理工大学;2012年

4 张晓萍;核壳结构磷酸铁锂—磷酸钒锂复合正极材料的研究[D];中南大学;2012年

5 赵斌;锂离子电池用磷酸钒锂和硫正极材料制备及电化学储锂性能研究[D];浙江工业大学;2012年

6 曾福娣;锂离子电池正极材料磷酸锰锂的合成与电化学性能研究[D];天津大学;2012年

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本文编号：1017640