高倍率性能磷酸铁锂正极材料的制备及改性研究

发布时间：2020-11-18 22:38

　　 LiFePO_4具有理论容量高、热稳定性能好、循环性能好以及环境友好等优点,是目前商用动力锂离子电池的主流正极材料之一。然而,低电子电导率和低锂离子扩散系数导致其倍率性能较差,严重制约其在大功率动力锂离子电池中的应用。本文采用石墨烯包覆和控制形貌的方法改善LiFePO_4的倍率性能,并通过离子掺杂的方法提升其能量密度。考察了石墨烯包覆量或炭包覆量、前驱体添加顺序对LiFePO_4结构和电化学性能的影响。研究内容及取得的主要研究结果如下:(1)以自制氧化石墨和商用磷酸铁锂为原料,采用表面活性剂辅助自组装法合成LiFePO_4/石墨烯复合材料,探讨了石墨烯添加量对LiFePO_4/石墨烯复合材料结构和电化学性能的影响。结果表明,在石墨烯添加量为6.2wt%时,复合材料表现出最佳电化学性能,在5 C倍率下,放电比容量为132.6 mAh·g~(-1),而LiFePO_4仅为87.5 mAh·g~(-1)。此外,LiFePO_4/石墨烯复合材料表现出优良的循环稳定性,在5 C倍率下循环1000次后容量保持率达到82.6%,远远优于LiFePO_4的49%。(2)以LiOH、FeSO_4和H_3PO_4为前驱体原料,采用乙二醇溶剂热法制备LiFePO_4纳米颗粒,考察了前驱体添加顺序对产物结构和电化学性能的影响。发现先将H_3PO_4溶液滴入FeSO_4溶液更易合成具有较短b轴的片状LiFePO_4,且表现出更佳的电化学性能,其在0.2 C和5 C倍率下的放电比容量分别为157.3 mAh·g~(-1)和140.1 mAh·g~(-1)。在此基础上,研究了炭包覆量对LiFePO_4结构和电化学性能的影响,发现炭包覆可显著提高LiFePO_4的电化学性能,且炭包覆量越高越有利于提升LiFePO_4的大电流充放电性能。(3)以LiOH、FeSO_4,、MnSO_4和H_3PO_4为前驱体原料,采用乙二醇溶剂热法制备Mn掺杂LiFe_(0.5)Mn_(0.5)PO_4纳米颗粒,并对其进行了炭包覆处理。研究了前驱体添加顺序对产物的形貌、结构和电化学性能的影响。结果表明,先将H_3PO_4滴入FeSO_4和MnSO_4混合溶液可以合成尺寸更小及更短b轴的LiFe_(0.5)Mn_(0.5)PO_4纳米颗粒,并表现出更佳的电化学性能,且其在低电流密度下明显提高了LiFePO_4的能量密度。同时研究了不同溶剂热时间产物的XRD与SEM以阐述添加顺序的影响的机理。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 锂离子电池简介
        1.2.1 锂离子电池的结构
        1.2.2 锂离子电池的工作原理
    1.3 锂离子电池正极材料
        1.3.1 层状结构正极材料
        1.3.2 尖晶石结构正极材料
        1.3.3 聚阴离子正极材料
    1.4 磷酸铁锂的合成方法
        1.4.1 高温固相法
        1.4.2 碳热还原法
        1.4.3 微波合成法
        1.4.4 溶胶凝胶法
        1.4.5 水热/溶剂热法
        1.4.6 共沉淀法
    1.5 磷酸铁锂的改性方法
        1.5.1 表面修饰
        1.5.2 离子掺杂
        1.5.3 控制形貌和尺寸
    1.6 选题依据和主要研究内容
        1.6.1 选题依据
        1.6.2 主要研究内容
第2章 材料的制备及结构与性能分析方法
    2.1 实验仪器设备及原材料
        2.1.1 实验原材料
        2.1.2 实验仪器与设备
    2.2 材料表征方法
        2.2.1 X射线衍射分析
        2.2.2 热重分析
        2.2.3 拉曼光谱分析
        2.2.4 氮气吸脱附测试
        2.2.5 X射线光电子能谱分析
        2.2.6 扫描电子和透射电子显微镜分析
    2.3 电池的制备及电化学性能测试
        2.3.1 电池的制备
        2.3.2 恒电流充放电测试
        2.3.3 循环伏安测试
        2.3.4 交流阻抗测试
4/石墨烯复合正极材料的研究'>第3章 LiFePO₄/石墨烯复合正极材料的研究
    3.1 引言
    3.2 实验过程
        3.2.1 氧化石墨的制备
        3.2.2 表面活性剂辅助自组装法合成LF/G复合正极材料
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 石墨烯添加量对LF/G复合正极材料结构的影响
        3.3.2 石墨烯添加量对LF/G复合正极材料电化学性能的影响
        3.3.3 反应机理的探讨
    3.4 本章小结
4/C复合正极材料研究'>第4章 片状LiFePO₄/C复合正极材料研究
    4.1 引言
    4.2 实验过程
4正极材料'>        4.2.1 溶剂热法合成片状LiFePO₄正极材料
4/C复合正极材料的制备'>        4.2.2 片状LiFePO₄/C复合正极材料的制备
    4.3 结果与讨论
4/C复合正极材料结构的影响'>        4.3.1 前驱体添加顺序对LiFePO₄/C复合正极材料结构的影响
4/C复合正极材料电化学性能的影响'>        4.3.2 前驱体添加顺序对LiFePO₄/C复合正极材料电化学性能的影响
4/C复合正极材料结构的影响'>        4.3.3 炭包覆量对LiFePO₄/C复合正极材料结构的影响
4/C复合正极材料电化学性能的影响'>        4.3.4 炭包覆量对LiFePO₄/C复合正极材料电化学性能的影响
4/C复合正极材料的合成机理分析'>        4.3.5 片状LiFePO₄/C复合正极材料的合成机理分析
    4.4 本章小结
0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料的研究'>第5章 片状LiFe_0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料的研究
    5.1 引言
    5.2 实验过程
0.5Mn_0.5PO₄正极材料'>        5.2.1 溶剂热法合成片状LiFe_0.5Mn_0.5PO₄正极材料
0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料的制备'>        5.2.2 片状LiFe_0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料的制备
    5.3 结果与讨论
0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料结构的影响'>        5.3.1 前驱体添加顺序对LiFe_0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料结构的影响
0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料电化学性能的影响..'>        5.3.2 前驱体添加顺序对LiFe_0.5Mn_0.5PO₄/C复合正极材料电化学性能的影响..
0.5Mn_0.5PO₄/C的合成机理分析'>        5.3.3 片状LiFe_0.5Mn_0.5PO₄/C的合成机理分析
    5.4 本章小结
结论
参考文献
附录A 攻读硕士期间发表的论文
致谢

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 刘亚利;吴娇杨;李泓;;锂离子电池基础科学问题(Ⅸ)——非水液体电解质材料[J];储能科学与技术;2014年03期

2 张玲玲;马玉林;杜春雨;尹鸽平;;锂离子电池高电压电解液[J];化学进展;2014年04期

本文编号：2889306