固相法磷酸锰锂制备及性能研究

发布时间：2017-11-08 13:02

本文关键词：固相法磷酸锰锂制备及性能研究

【摘要】：橄榄石型磷酸锰锂(LiMnPO_4)制备成本低、结构稳定、无毒环保、理论比容量高(170m Ah/g)、工作电压高(4.1V),同时,LiMnPO_4的工作电压与主流电解液的电化学窗口相匹配,是一种有潜力的锂离子电池正极材料。但是,LiMnPO_4的本征电子电导率和锂离子扩散速率较低,严重限制了其广泛应用。目前,改善LiMnPO_4材料电化学性能的主要方法是颗粒纳米化、碳包覆和金属离子掺杂。本论文采用固相法,尝试通过对锰位进行金属离子掺杂和共掺杂来提高LiMnPO_4的电子电导率,利用X-射线衍射、元素分析、热重分析、粒径分析、扫描电镜、充放电测试、循环伏安和交流阻抗等手段对产物的结构、形貌和电化学性能进行表征,并对掺杂、共掺杂的机理进行探讨。本论文的主要工作内容如下:首先,对锰位进行铁掺杂,制备Li Mn0.7Fe0.3PO4/C复合材料并进行工艺条件优化,得出最优工艺条件为:干法球磨,包碳量7%,压片压力10MPa,烧结时间8h,烧结温度550℃。对LiMnPO_4/C和Li Mn0.7Fe0.3PO4/C两种材料进行性能对比:两种材料均为橄榄石结构;Li Mn0.7Fe0.3PO4/C的颗粒尺寸小且均匀,平均粒径为296.6nm,分散指数为0.165;其在0.1C和1C倍率下的放电比容量分别为136.4m Ah/g和104.2m Ah/g,循环50次后的容量保持率分别为96.3%和96.0%。循环伏安和交流阻抗测试均表明:Fe2+的掺杂有效改善了材料的电子电导率,材料的电化学性能得到明显提升。其次,对锰位进行镁掺杂,合成镁掺杂的Li Mn1-xMgx PO4/C(x=0.02,0.04,0.06,0.08)复合材料,测试结果表明:材料均为橄榄石结构,当x=0.04时,对应材料的粒径分布最均匀,平均粒径最小为147.5nm,分散指数为0.154;随着Mg2+掺杂量的增加,材料的电化学性能出现了先增大后减小的规律,当x=0.04时,对应材料的电化学性能最优,其在0.05C、0.1C和1C倍率下的放电比容量分别为107.5m Ah/g、105.4m Ah/g和77.1m Ah/g,循环性能和倍率性能均相对较高。虽然Mg2+掺杂提高了LiMnPO_4/C的电化学性能,但总体不如Fe2+掺杂的效果显著。在以上研究的基础上,对锰位进行铁、镁共掺杂。合成了一系列Li Mn0.7Fe0.3-x Mgx PO4/C(x=0.02,0.04,0.06,0.08)复合材料,结果表明:所有材料都为均一相橄榄石结构,随着x的增大,Li Mn0.7Fe0.3-x Mgx PO4/C的比容量和比能量密度先增大后减小,当x=0.04,即Fe、Mg掺杂比例为0.26∶0.04时,Li Mn0.7Fe0.26Mg0.04PO4/C样品粒径分布最均匀,平均粒径最小为272.8nm,分散指数最低为0.109,材料的电化学性能最佳,在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和5C倍率下的放电比容量分别为159.7m Ah/g、154.3m Ah/g、148.2m Ah/g、143.9m Ah/g、134.7m Ah/g和110.7m Ah/g,其中在1C倍率下循环50次后容量保持率为94.5%,倍率和循环性能优异。铁、镁共掺杂所产生的协同效应使得材料的电子电导率和晶格的结构稳定性得到提高。本文还合成了非化学计量比Li Mn0.7Fe0.23Mgx PO4/C(x=0.035,0.105)复合材料,研究表明:贫镁的Li Mn0.7Fe0.23Mg0.035PO4/C性能最优,550℃烧结的样品在0.1C倍率下放电比容量高达158.6m Ah/g。
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ131.11

【参考文献】

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