改性硅酸亚铁锂正极材料的制备与电化学性能研究

发布时间：2017-09-15 04:25

  本文关键词：改性硅酸亚铁锂正极材料的制备与电化学性能研究

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【摘要】：Li_2FeSiO_4新型锂离子电池正极材料,具有较好的性价比、环境友好,地壳储量丰度大等优势,且在理论上可以可逆的脱嵌2个锂离子,从而获得高达332 mAh·g-1的理论容量,因而引起了研究者们的广泛关注。但是该材料本身具有极低的电导率和锂离子扩散系数,同时存在产物颗粒尺寸较大,且不均匀,合成时间过长等缺点,限制了其应用。本文针对目前研究中存在的问题,分别采取水热法和回流辅助-溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4材料,并对其进行了碳包覆、稀土离子Nd3+的铁位取代两个方面的改性研究,同时利用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、红外光谱仪、电池检测仪和电化学工作站等设备对样品进行了一系列的结构表征和相关电化学性能测试。系统研究了改性硅酸亚铁锂材料的微结构和电化学性能,取得了一些有意义的结果:以纳米二氧化硅(SiO2),硫酸亚铁(FeSO4?7H2O)和氢氧化锂(LiOH?2H2O)为原料,葡萄糖作为碳源,采用水热法制备了枣核状的纳米Li_2FeSiO_4/C复合材料,并对其进行了不同葡萄糖添加量的碳包覆和稀土离子Nd3+的铁位取代研究。测试结果表明:Li2Fe1-x NdxSiO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)的所有样品均为正交晶型结构,空间群为Pmn21,Li2Fe0.97Nd0.03SiO4/C样品在0.2 C倍率下首次放电容量高达177mAh·g-1,五次循环后放电比容量稳定在161 mAh·g-1,显著高于取代前Li_2FeSiO_4/C样品循环相同周次时的放电比容量。针对水热法存在的颗粒尺寸较大和碳包覆难度相对较大的问题,本实验还利用正硅酸乙酯(TEOS)和草酸亚铁(FeC2O4?2H2O)为原料,柠檬酸作为螯合剂和碳源,采用回流辅助-溶胶凝胶法制备出了改性硅酸亚铁锂Li2Fe1-x NdxSiO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)正极材料,研究结果表明,溶胶凝胶法制备的样品均为正交晶型结构,空间群为Pmnb。Li2Fe1-x NdxSiO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)正极材料首次放电容量均超过了166 mAh·g-1,Li2Fe0.97Nd0.03SiO4/C样品在0.2 C倍率下首次放电容量高达265mAh·g-1,第七次循环时的放电比容量为186 mAh·g-1,显著高于取代前Li_2FeSiO_4/C样品循环相同周次时的放电比容量。Nd3+的掺杂并没有改变晶体的结构类型。但能有效地提高硅酸亚铁锂正极材料的放电比容量、循环性能和倍率性能,显著降低电极/电解液界面电荷转移电阻,增大交换电流密度,改善电化学动力学性能。在本实验条件下,取代量为0.03时,Li2Fe0.97Nd0.03SiO4/C材料的电荷转移电阻最小,并显著低于取代前Li_2FeSiO_4/C材料的电荷转移电阻。
【关键词】：锂离子电池 正极材料 硅酸亚铁锂 掺杂 电化学性能
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 引言12-13
• 1.2 锂离子电池结构和工作原理13-14
• 1.3 锂离子电池正极材料研究进展14-17
• 1.3.1 层状氧化物正极材料研究进展15-16
• 1.3.2 尖晶石型正极材料的研究进展16
• 1.3.3 聚阴离子型正极材料的研究进展16-17
• 1.4 聚阴离子型正极材料Li_2FeSiO_4的研究现状17-22
• 1.4.1 Li_2FeSiO_4的晶体结构18
• 1.4.2 Li_2FeSiO_4的电化学性能18-19
• 1.4.3 Li_2FeSiO_4的制备方法19-20
• 1.4.4 Li_2FeSiO_4的改性研究20-22
• 1.5 本文的研究工作及意义22-23
• 第2章 实验材料与研究方法23-28
• 2.1 主要化学试剂23
• 2.2 主要实验设备23-24
• 2.3 实验方法24-26
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)分析24
• 2.3.2 扫描电镜(SEM)分析24-25
• 2.3.3 透射电镜(TEM)分析25
• 2.3.4 热重(TG-DTA)分析25
• 2.3.5 傅里叶变换-红外光谱(FT-IR)分析25
• 2.3.6 氮吸脱附曲线分析25
• 2.3.7 激光粒度分析25-26
• 2.4 电极电化学性能测试26-28
• 2.4.1 模拟电池的组装26
• 2.4.2 充放电性能测试26
• 2.4.3 循环伏安测试26-27
• 2.4.4 电化学阻抗谱测试27-28
• 第3章 改性硅酸亚铁锂的水热法制备及其电化学性能研究28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 水热法合成工艺28-29
• 3.3 水热合成Li_2FeSiO_4/C碳源添加量的确定29-30
• 3.4 水热合成Li_2FeSiO_4/C样品的结构表征30-33
• 3.4.1 水热合成Li_2FeSiO_4/C样品的XRD分析30
• 3.4.2 水热合成Li_2FeSiO_4/C样品的SEM及TEM分析30-31
• 3.4.3 水热合成Li_2FeSiO_4/C样品的热重-差热分析31-32
• 3.4.4 水热合成Li_2FeSiO_4/C样品的FT-IR分析32-33
• 3.4.5 水热合成Li_2FeSiO_4/C样品的粒度分析33
• 3.5 水热合成Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C结构与电化学性能研究33-40
• 3.5.1 水热法制备的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的XRD分析33-34
• 3.5.2 水热法制备的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的SEM分析34-35
• 3.5.3 水热法制备的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的TEM分析35-36
• 3.5.4 水热法制备的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的恒流充放电性能36-38
• 3.5.5 水热法制备的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的倍率性能38
• 3.5.6 水热法制备的Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C的循环伏安曲线38-39
• 3.5.7 水热法制备的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的电化学阻抗谱39-40
• 3.6 本章小结40-42
• 第4章 改性硅酸亚铁锂材料的回流辅助-溶胶凝胶法合成及其电化学性能研究42-57
• 4.1 引言42
• 4.2 溶胶凝胶法合成工艺42-43
• 4.3 溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4/C的结构与表征43-47
• 4.3.1 溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4/C样品的XRD分析43
• 4.3.2 溶胶凝胶合成Li_2FeSiO_4/C样品的SEM和TEM分析43-44
• 4.3.3 溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4/C样品的热重-差热分析44-45
• 4.3.4 溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4/C样品的FT-IR分析45-46
• 4.3.5 溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4/C样品的氮吸脱附曲线分析46
• 4.3.6 溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4/C样品的粒度分析46-47
• 4.4 溶胶凝胶法合成Li_2FeSiO_4/C的电化学性能47-48
• 4.5 溶胶凝胶法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C结构与电化学性能研究48-55
• 4.5.1 溶胶凝胶法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C的XRD分析48-49
• 4.5.2 溶胶凝胶法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的SEM分析49-50
• 4.5.3 溶胶凝胶法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的TEM分析50-51
• 4.5.4 溶胶凝胶法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的充放电性能51-52
• 4.5.5 溶胶凝胶法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的倍率性能52-53
• 4.5.6 溶胶凝胶法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的循环伏安分析53-54
• 4.5.7 溶胶凝胶法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的交流阻抗分析54-55
• 4.6 本章小结55-57
• 结论57-58
• 参考文献58-64
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果64-65
• 致谢65

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