锂离子电池正极材料磷酸铁锂的电化学性能研究

发布时间：2017-09-18 16:13

  本文关键词：锂离子电池正极材料磷酸铁锂的电化学性能研究

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【摘要】：聚阴离子型橄榄石结构磷酸铁锂(LiFePO4)材料具有比容量高(170mAh/g)、对环境无污染、材料充放电平台大、安全性好等一系列优点,被看作目前最有发展、应用前景的锂离子电池正极材料之一。但是由于材料本身结构性质的原因,其导电性非常差,致使大倍率充放电性能表现不佳,所以一直以来的研究主要是提高LiFePO4材料的导电性,目前常用、且有效的措施主要是表面碳包覆。本论文主要采用水热法合成LiFePO4,对水热反应的合成工艺进行了优化,并通过表面碳包覆和单壁碳纳米管掺杂改性,制备性能较好的LiFePO4电极材料。通过XRD SEM、恒流充放电测试和循环伏安法测试等手段对合成的LiFePO4的物相、形貌及电化学性能等方面进行了研究。(1)以LiOH·H2O, H3PO4和FeSO4·7H2O为原料,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为表面活性剂,抗坏血酸作为防氧化剂,采用水热反应制备LiFePO4锂离子电池正极材料。研究了水热反应温度、时间及表面活性剂浓度对产物LiFePO4的物相、形貌和电化学性能等方面的影响。实验结果表明,在水热反应温度为180℃,反应时间为6h,表面活性剂浓度为16mM的条件下,制备出了物相单一、片状结构的LiFePO4,得到的材料也表现出了较好的电化学性能,在0.1C倍率下的首次放电比容量为101.9mAh/g。(2)为了进一步提高LiFePO4电极材料的电化学性能,探讨了聚苯乙烯(PS)和聚苯乙烯丙烯腈(PSAN)分别作为碳源时对LiFePO4性能的影响。实验结果表明,两种碳源对LiFePO4进行碳包覆后材料的物相没有发生变化,电化学性能均得到了提高。当PSAN作为碳源,添加量相对于LiFePO4为4%时,所制备的材料表现的电化学性能较好,在0.1C倍率下的首次放电比容量为146mAh/g,1C倍率下的放电比容量为98.5mAh/g。(3)对上述碳包覆后的LiFePO4正极材料与单壁碳纳米管进行掺杂,研究不同单碳纳米管含量对LiFePO4电极材料的电化学性能影响。实验结果表明,当单壁碳纳米管含量为6%时,碳纳米管在材料颗粒间形成了较好的三维导电网络结构,所制备的LiFeP04/C/CNTs电极材料表现的电化学性能最佳。在O.1C进行充放电时,电极材料的放电比容量为166.7mAh/g,1C时的放电比容量也有157.2mAh/g,即使在10C时,电极材料放电比容量也达到了107.2mAh/g;在0.5C倍率下,经过70个循环后放电比容量仍有158.4mAh/g,容量保持率达到了96.6%。
【关键词】：正极材料 LiFePO_4 水热反应 碳包覆 碳纳米管
【学位授予单位】：南京理工大学
【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11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池概述11-14
• 1.2.1 锂离子电池的发展历史及研究现状11-12
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理12-13
• 1.2.3 锂离子电池的特点13-14
• 1.3 常见的锂离子的电池正极材料14-16
• 1.3.1 正极材料的选择要求14-15
• 1.3.2 钴酸锂(LiCoO_2)正极材料15
• 1.3.3 镍酸锂(LiNiO_2)正极材料15
• 1.3.4 锰酸锂(LiMn_2O_4)正极材料15-16
• 1.3.5 磷酸铁锂(LiFePO_4)正极材料16
• 1.4 磷酸铁锂正极材料简介16-25
• 1.4.1 磷酸铁锂(LiFePO_4)的结构特点16-17
• 1.4.2 磷酸铁锂的充放电原理17-19
• 1.4.3 磷酸铁锂的制备方法19-23
• 1.4.3.1 高温固相法19-20
• 1.4.3.2 碳热还原法20-21
• 1.4.3.3 微波合成法21
• 1.4.3.4 溶胶凝胶法21-22
• 1.4.3.5 共沉淀法22
• 1.4.3.6 水热法22-23
• 1.4.4 磷酸铁锂的改性研究23-25
• 1.4.4.1 表面包覆24
• 1.4.4.2 金属离子掺杂24-25
• 1.4.4.3 纳米化25
• 1.5 本论文选题背景及研究内容25-27
• 第二章 实验部分27-30
• 2.1 实验材料与仪器27-28
• 2.1.1 实验材料27
• 2.1.2 实验仪器27-28
• 2.2 材料表征方法28
• 2.2.1 材料的物相分析28
• 2.2.2 材料的形貌分析28
• 2.2.3 材料的碳结构分析28
• 2.2.4 材料的碳含量分析28
• 2.3 材料的电化学性能测试28-30
• 2.3.1 电极片的制备28-29
• 2.3.2 恒流充放电测试29
• 2.3.3 循环伏安法测试29-30
• 第三章 水热法制备磷酸铁锂的工艺研究30-43
• 3.1 反应温度对LiFePO_4正极材料的影响30-33
• 3.1.1 LiFePO_4正极材料的制备30
• 3.1.2 结果与讨论30-33
• 3.1.2.1 LiFePO_4正极材料的物相分析31
• 3.1.2.2 LiFePO_4正极材料的形貌分析31-32
• 3.1.2.3 LiFePO_4正极材料的电化学性能分析32-33
• 3.2 反应时间对LiFePO_4正极材料的影响33-37
• 3.2.1 LiFePO_4正极材料的制备34
• 3.2.2 结果与讨论34-37
• 3.2.2.1 LiFePO_4正极材料的物相分析34-35
• 3.2.2.2 LiFePO_4正极材料的形貌分析35-36
• 3.2.2.3 LiFePO_4正极材料的电化学性能分析36-37
• 3.3 表面活性剂浓度对LiFePO_4正极材料的影响37-41
• 3.3.1 LiFePO_4正极材料的制备37-38
• 3.3.2 结果与讨论38-41
• 3.3.2.1 LiFePO_4正极材料的物相分析38-39
• 3.3.2.2 LiFePO_4正极材料的形貌分析39-40
• 3.3.2.3 LiFePO_4正极材料的电化学性能分析40-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第四章 磷酸铁锂的碳包覆研究43-56
• 4.1 不同碳源对LiFePO_4/C正极材料的影响43-49
• 4.1.1 不同碳源LiFePO_4/C正极材料的制备43-44
• 4.1.2 样品的物相分析44
• 4.1.3 样品的形貌分析44-45
• 4.1.4 样品的碳含量分析45-46
• 4.1.5 样品的拉曼光谱分析46-47
• 4.1.6 样品的电化学性能分析47-48
• 4.1.7 样品的循环伏安分析48-49
• 4.2 不同碳含量LiFePO_4/C正极材料的影响49-55
• 4.2.1 不同碳含量的LiFePO_4/C正极材料的制备49
• 4.2.2 样品的物相分析49-50
• 4.2.3 样品的形貌分析50-51
• 4.2.4 样品的碳含量分析51-52
• 4.2.5 样品的电化学性能分析52-54
• 4.2.6 样品的循环伏安法分析54-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第五章 单壁碳纳米管对LiFePO_4/C的改性研究56-65
• 5.1 样品制备56-57
• 5.1.1 碳纳米管的纯化57
• 5.1.2 LiFePO_4/C/CNTs电极材料的制备57
• 5.2 结果与讨论57-63
• 5.2.1 样品的物相分析57-58
• 5.2.2 样品的拉曼光谱分析58-59
• 5.2.3 样品的形貌分析59-60
• 5.2.4 样品的电化学性能分析60-62
• 5.2.5 样品的循环伏安法分析62-63
• 5.3 本章小结63-65
• 第六章 结论与展望65-67
• 6.1 结论65
• 6.2 展望65-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-77
• 附录77

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