喷雾—热化学反应法制备石墨烯复合磷酸铁锂锂离子电池正极材料的研究

发布时间：2017-12-26 07:38

本文关键词：喷雾—热化学反应法制备石墨烯复合磷酸铁锂锂离子电池正极材料的研究　出处：《深圳大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：近年来,国内外电动汽车产业的发展突飞猛进,其中锂离子动力电池作为电动汽车的最重要部件之一无疑成为焦点而被广泛研究。在众多可选的正极材料中,聚阴离子磷酸铁锂正极材料因其具有安全性能高、热稳定性好、电化学性能好以及原材料储量丰富、成本低的等一系列优点,被广大研究者认为是最有应用前景的锂离子电池正极材料。但磷酸铁锂材料自身导电性极差,且目前市场上生产磷酸铁锂工艺较复杂、制备合成成本较高,这在一定程度上限制了其广泛应用。为解决这些问题,本论文以廉价的氧化铁为铁源通过喷雾-热化学反应法制备得到了性能优良的石墨烯复合磷酸铁锂材料。本文以磷酸锂(Li_2CO_3)、磷酸(H_3PO_4)、氧化铁(Fe_2O_3)和液态丙烯腈低聚物(LPAN)为原料,以去离子水作为分散介质,分别以普通球磨、纳米研磨结合喷雾干燥技术制备出石墨烯复合磷酸铁锂正极材料前驱体,前驱体经高温煅烧得到最终产物。并且对不同条件下制备的LiFePO_4材料的形貌、粒度、电导率、振实密度、晶体物相结构、电化学性能、循环伏安、阻抗等物化性质进行了表征,研究了材料结构与电化学性能的关系,主要研究内容及成果如下:1、以Li_2CO_3、H_3PO_4、Fe_2O_3为原料,LPAN为碳源,采用普通球磨法,合成了LiFePO_4正极材料,以此证明了方案的可行性,并探讨了Li/Fe摩尔比例对合成产物的物化性质影响,研究表明,Li/Fe摩尔比例为0.94时,制备得到的LiFePO_4正极材料粒径分布最均匀,电化学性能较佳,0.1 C和1 C电流密度下放电比容量分别能够达到120 mAh/g、81 mAh/g。2、采用了喷雾-热化学反应法制备石墨烯复合磷酸铁锂材料(G/LiFePO_4),探究了不同合成工艺对材料的物化性能的影响。得到最优方案为:先将氧化铁和磷酸混合研磨反应后再加碳酸锂、LPAN研磨喷雾烧结。此方案合成的G/LiFePO_4正极材料放电比容量及循环稳定性最好。3、进一步优化了喷雾-热化学反应法制备G/LiFePO_4工艺条件。以原材料配量比为出发点,对nLi/Fe=0.96~1.10条件制备的材料,结合粒度、SEM、XRD测试分析其对电化学性能的影响,研究表明:锂铁原子摩尔比为1.02时,合成的材料表面形貌最光滑、粒径分布均匀,电化学性能最优。随后,对LPAN添加量、前驱体煅烧温度等因素对材料粒度、形貌、物相和电化学性能的影响开展了详细探究与分析。4、实验结果表明:以Li_2CO_3、H_3PO_4、Fe_2O_3为原料,LPAN为石墨烯前驱体,配料摩尔比为Li:Fe:P=1.02:1:1,LPAN加入量为Li_2CO_3、H_3PO_4及Fe_2O_3三种物料质量总和的20%,前驱体煅烧温度为700oC且保温6 h,制备得到的磷酸铁锂材料性能最佳,材料在0.1 C倍率下的放电比容量达到162 mAh/g,1 C倍率放电比容量稳定在129 mAh/g,经过50次循环后的容量保持率均达到99%以上,倍率测试表明,3 C、5 C、10 C电流密度放电比容量分别为114.8 mAh/g、106 mAh/g、85 mAh/g,表明其具备优异的高倍率充放电性能。最佳条件下制备的材料中值粒径D(0.5)=4.7μm,振实密度为1.32 g/cm3;由拉曼光谱及透射电镜图进一步验证了石墨烯复合层的存在;循环伏安测试显示材料充放电可逆性极好,极化程度很低;电化学测试表明:大电流密度(10 C)放电比容量接近100 mAh/g。通过一系列的研究,本论文制备的石墨烯复合磷酸铁锂材料具有优异的物化性能,且工艺简单,可操作性强,能耗低,产物无污染符合绿色低成本产业化的要求,为低成本制备性能优良的G/LiFePO_4提出了一条新的工业化生产道路。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912;O646.5

【参考文献】