锂离子电池正极材料磷酸铁锂的合成及性能研究

发布时间：2017-04-13 07:00

  本文关键词：锂离子电池正极材料磷酸铁锂的合成及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摘要：自从1997年Goodenough发现磷酸铁锂插入/脱嵌锂离子的性质以来,其作为锂离子电池正极材料已经受到广泛地关注和认同。磷酸铁锂理论容量达到170mAh·g-1,在3.45V (vs Li+/Li)附近有稳定充放电电压平台,保证了稳定的电压输出和较高的理论比能量密度。制备磷酸铁锂所需各原料来源广泛且无毒无害,利于大规模应用和降低生产成本。虽然目前锂矿产相对紧缺,但锂在地壳中仍具有较高的丰度。经历多年的研究,磷酸铁锂已经开始替代钴酸锂作为锂离子电池的正极材料,特别是作为电动汽车动力电池方面已经取得实际应用的突破。本文通过改进化学插锂法,研究了耗时较短、耗能较低的固态插锂法制备磷酸铁锂的方法,并利用碳材料对其进行改性。本论文的主要工作有： (1)采用液相共沉淀法以氯化铁和磷酸氢二铵为原料制备水合磷酸铁,在300℃左右利用碘化锂作为还原剂和锂源还原水合磷酸铁制备无定形水合磷酸铁锂。升高温度至400℃以上保持2h,水合磷酸铁锂脱水结晶生成橄榄石型磷酸铁锂晶体。对反应历程和原理进行了研究,优化了实验条件。得到在700℃下结晶的磷酸铁锂在O.1C倍率下比容量为140.1mAh·g-1,达到理论容量的82.4%,放电电压平台在3.43V；充放电倍率高达10C时,放电比容量83.1mAh·g-1,为理论容量48.8%。 (2)利用碳包覆法对固态插锂法制备的磷酸铁锂进行改性研究。探索出两步法制备磷酸铁锂/碳复合物的方法。首先在300℃附近生成无定形水合磷酸铁锂,利用葡萄糖作为碳源对其进行包覆,300℃下裂解1h,700℃下保持2h结晶得到最终产物。该样品在O.1C倍率下放电比容量达到159.4mAh·g-1,达到理论比容量的93.8%,放电电压平台在3.41v,平台电压差为40mV；在10C倍率下时放电比容量达到117.6mAh·g-1,达到理论值的69.2%,放电比容量比纯相磷酸铁锂高41.5%。 (3)通过引入石墨烯对磷酸铁锂进行改性,得到磷酸铁锂/石墨烯复合物。首先利用共沉淀法将氧化石墨烯与水合磷酸铁形成复合物,而后利用固态插锂法还原磷酸铁复合物,于700℃下焙烧得到石墨烯/磷酸铁锂紧密结合的复合物。复合物中磷酸铁锂颗粒1μm粒径左右,石墨烯大小为1～3×1～3μm2,具有2-3层的片层结构。0.1C倍率下,放电比容量达到163.2mAh·g1,达到理论容量的96%,充放电平台电压差3.45V,平台电压差为40mV；在10C倍率下时放电比容量为63mAh·g-1。图19幅,表6个,参考文献90篇。
【关键词】：磷酸铁锂 锂离子电池 化学插锂法 碳包覆 石墨烯
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912;TQ131.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 锂离子电池的原理与特征11-12
• 1.3 锂离子正极材料的研究进展12-14
• 1.3.1 过渡金属氧化物12-13
• 1.3.2 聚合物阴离子13-14
• 1.4 磷酸铁锂的研究现状14-19
• 1.4.1 磷酸铁锂的结构与性能14-16
• 1.4.2 磷酸铁锂合成方法16-18
• 1.4.3 磷酸铁锂改性方法18-19
• 1.5 研究内容及创新19-21
• 1.5.1 本论文研究的主要内容19
• 1.5.2 本论文研究的创新之处19-21
• 第2章 实验试剂、仪器及性能测试21-23
• 2.1 实验试剂21-22
• 2.2. 实验仪器22
• 2.3 LiFePO_4性能测试22-23
• 第3章 固态插锂法制备磷酸铁锂23-36
• 3.1 引言23
• 3.2 固态插锂法制备磷酸铁锂23-24
• 3.3 结果与讨论24-34
• 3.3.1 固态插锂反应的TG/DSC过程分析24-26
• 3.3.2 LiFePO_4的IR分析26-27
• 3.3.3 LiFePO_4晶体结构XRD分析27-29
• 3.3.4 LiFePO_4粉末SEM分析29-30
• 3.3.5 LiFePO_4粉末TEM分析30-31
• 3.3.6 LiFePO_4充放电性能分析31-33
• 3.3.7 LiFePO_4电化学活性分析33-34
• 3.4 本章小结34-36
• 第4章 碳包覆改性固态插锂法制备的磷酸铁锂36-47
• 4.1 引言36-37
• 4.2 实验部分37
• 4.3 结果与讨论37-46
• 4.3.1 碳包覆样品中LiFePO_4含量测定37-38
• 4.3.2 LiFePO_4/C晶体结构XRD分析38-39
• 4.3.3 LiFePO_4/C粉末SEM分析39-40
• 4.3.4 LiFePO_4/C粉末TEM分析40-41
• 4.3.5 LiFePO_4/C充放电性能分析41-44
• 4.3.6 LiFePO_4/C电化学活性分析44-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 固态插锂法制备的磷酸铁锂/石墨烯复合物47-60
• 5.1 引言47-48
• 5.2 实验部分48-50
• 5.2.1 氧化石墨烯的合成48-49
• 5.2.2 水合磷酸铁/氧化石墨烯的制备49
• 5.2.3 磷酸铁锂/石墨烯的制备49-50
• 5.3 结果与讨论50-59
• 5.3.1 氧化石墨烯的表征50-51
• 5.3.2 磷酸铁锂/石墨烯复合物的物相及组成分析51
• 5.3.3 磷酸铁锂/石墨烯复合物的SEM分析51-53
• 5.3.4 磷酸铁锂/石墨烯复合物的TEM分析53-54
• 5.3.5 磷酸铁锂/石墨烯复合物的充放电性能分析54-57
• 5.3.6 磷酸铁锂/石墨烯复合物的电化学活性分析57-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第6章 总结和展望60-62
• 6.1 主要创新及成果60
• 6.2 存在的问题及展望60-62
• 参考文献62-69
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果69-70
• 致谢70

【参考文献】

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1 ;Synthesis and electrochemical properties of Li_2MnSiO_4/C nanoparticles via polyol process[J];Rare Metals;2010年05期

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本文编号：303025