锂离子电池正极材料磷酸铁锂的溶剂热合成及改性研究

发布时间：2017-09-01 15:07

  本文关键词：锂离子电池正极材料磷酸铁锂的溶剂热合成及改性研究

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【摘要】：锂离子电池正极材料磷酸铁锂具有成本低廉、环保无毒、循环性能好、安全性能高等优点。但是磷酸铁锂的两个明显缺点(低离子导电率、低电子电导率)阻碍了其大规模市场化应用。为了克服这两个缺点,控制LiFePO_4颗粒的大小和形貌都是十分必要的,溶剂热法能很好地控制LiFePO_4晶体生长,因此本文采用溶剂热法,开展了如下工作：(1)以乙二醇为溶剂采用溶剂热法合成了LiFePO_4材料。研究了合成参数如醇与水比例、溶解热反应温度等对磷酸铁锂颗粒形貌、大小及电化学性能的影响。结果表明当溶剂热反应温度为180℃时,采用全乙二醇做溶剂的溶剂热法来合成的颗粒大小最均一。当溶剂组成全部为水时,难以得到大小均一的颗粒。随着醇含量的增加,颗粒由微米级别的片状颗粒逐渐变小到纳米级别的颗粒。通过对合成的自组装结构LiFePO_4材料研究发现,样品的颗粒具有多孔的花生状结构,长度为50 um,直径范围为19-23 nm,该结构由厚度约为30 nm的纳米片堆砌而成。(2)采用FeSO_4·7H_2O、H_3PO_4、LiOH·H_2O为反应物且摩尔比为1：1.5：2.7,用乙二醇做溶剂的溶剂热法合成了性能优异的纳米片状磷酸铁锂电极材料。对样品进行了XRD分析、扫描电镜分析、透射电镜分析,结果表明：样品为具有橄榄石型结构的厚度30nm左右{010}晶面片状磷酸铁锂颗粒。傅里叶红外光谱分析表明样品具有较低的反位缺陷浓度。循环伏安测试表明材料在大扫数(280mV/s)下,锂离子仍进行可逆的脱嵌行为,显示了优异的快速充放电性能。反应物浓度和反应物比例的不同会导致颗粒大小和形貌的不同,进而导致材料的电化学性能的极大不同,因此合成工艺要严格控制相关参数来获得性能优异的电极材料。(3)以聚乙二醇400为表面活性剂辅助合成了LiFePO_4材料。研究了聚乙二醇400与水的不同体积比例及前驱物浓度对产物形貌和性能的影响。在反应时间为9h、反应温度为180℃、反应物摩尔比(Li+：Fe+：PO_43-)为3：1：1、反应物摩尔浓度为0.11mol/L、聚乙二醇400和水的体积比为1：1.25的条件下,得到的产物电化学性能最佳,颗粒分布较均匀,形貌结构均一。
【关键词】：锂离子电池 正极材料 磷酸铁锂 溶剂热法 循环伏安法
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.11;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池11-12
• 1.2.1 锂离子电池结构11
• 1.2.2 锂离子电池工作原理11-12
• 1.3 锂离子电池正极材料12-15
• 1.3.1 锂离子电池对正极材料的要求12-13
• 1.3.2 常见锂离子电池正极材料的特点比较13-15
• 1.3.2.1 层状钴酸锂(LiCoO_2)13-14
• 1.3.2.2 层状镍酸锂(LiNiO_2)14
• 1.3.2.3 三元材料(LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O_2)14
• 1.3.2.4 橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO_4)14-15
• 1.4 LiFePO_4的研究进展15-21
• 1.4.1 磷酸铁锂的制备方法15-17
• 1.4.1.1 固相法15-16
• 1.4.1.2 液相法16-17
• 1.4.2 磷酸铁锂目前存在的问题17-21
• 1.5 本论文选题意义和研究内容21-23
• 第二章 实验原理和方法23-25
• 2.1 实验化学药品及仪器23-24
• 2.1.1 实验药品23
• 2.1.2 实验仪器23-24
• 2.2 电极材料表征24
• 2.2.1 X射线衍射分析(XRD)24
• 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)24
• 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)24
• 2.2.4 傅里叶变换红外光谱(FTIR)24
• 2.3 电极制作及电化学性能测试24-25
• 2.3.1 工作电极制作24
• 2.3.2 三电极测试系统循环伏安测试24
• 2.3.3 循环伏安测试(CV)24-25
• 第三章 LiFePO_4/C正极材料的溶剂热法合成及表征25-36
• 3.1 引言25
• 3.2 不同反应温度对溶剂热法合成磷酸铁锂的影响25-28
• 3.2.1 实验研究25
• 3.2.2 结果和讨论25-28
• 3.3 溶剂和水不同比例对溶剂热法合成磷酸铁锂的影响28-33
• 3.3.1 实验研究28-29
• 3.3.2 结果与讨论29-33
• 3.4 自组装结构磷酸铁锂的合成及研究33-35
• 3.4.1 实验研究33
• 3.4.2 结果和讨论33-35
• 3.5 小结35-36
• 第四章 {010}晶面片状磷酸铁锂的性能研究36-48
• 4.1 引言36
• 4.2 实验过程36
• 4.3 结果与讨论36-44
• 4.4 小结44-48
• 第五章 表面活性剂聚乙二醇400辅助合成磷酸铁锂的研究48-55
• 5.1 引言48
• 5.2 实验过程48-49
• 5.3 结果与讨论49-54
• 5.3.1 XRD结果讨论49
• 5.3.2 SEM图像分析49-51
• 5.3.3 电化学性能51-54
• 5.4 小结54-55
• 第六章 结论与展望55-56
• 6.1 结论55
• 6.2 展望55-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61
• 攻读学位期间所开展的科研项目和发表的学术论文61

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