碳包覆及镁等金属离子掺杂LiFePO4正极材料的电化学性能的研究

论文摘要

与其它传统的正极材料相比,橄榄石型LiFePO4具有理论比容量高、原料资源丰富、安全性好、环境无毒和热稳定性好等优点。正因为如此,它被认为是最有应用潜力的锂离子电池正极材料。但是LiFePO4的电子电导率低且锂离子在材料内部的扩散率低,使其充放电容量和倍率性能受到很大的影响。为了提高LiFePO4正极材料的电子电导率和Li+扩散速率,研究者常采用碳包覆和掺杂金属离子的方法对其进行改性。采用高温固相法,利用碳对LiFePO4表面进行包覆。以葡萄糖、蔗糖和酚醛树脂作为碳源,合成了LiFePO4正极材料。结果表明:经XRD测试,所有试样均保持了橄榄石型的LiFePO4晶体结构。其中以酚醛树脂作为碳源,当碳含量为3wt%时的试样充电容量为148.97mAh/g,放电容量为147.49mAh/g,充放电效率为99.01%。当碳含量为5wt%时的试样的充电容量为150.75mAh/g,放电容量为150.69mAh/g,充放电效率高达99.96%,其电化学性能最佳;在0.5C、1C倍率下,试样的放电容量为121.97mAh/g、92.85 mAh/g,具有较好的倍率性能。采用高温固相法,利用金属离子对LiFePO4进行掺杂。用镁、铬和钛离子掺杂,合成了LiFePO4正极材料。结果表明:经XRD测试,所有试样均保持了橄榄石型的LiFePO4晶体结构。其中掺杂Ti4+的试样的电化学性能最好,当掺杂Ti4+的量为2%时,试样的界面电阻为33.68?,电化学阻抗性能最佳;在0.1C倍率下,放电容量为132.70mAh/g;在1.0C和3.0C倍率下的放电容量98.74mAh/g和83.08mAh/g,倍率性能最佳。碳包覆和掺杂金属离子能有效提高LiFePO4的电子电导率和振实密度,从而改善材料的电化学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池的发展
• 1.2 锂离子电池正极材料
• 2'>1.2.1 LiCoO₂
• 2'>1.2.2 LiNiO₂
• 2'>1.2.3 LiMnO₂
• 2O₄'>1.2.4 LiMn₂O₄
• 4'>1.2.5 LiFePO₄
• 4 的结构及充放电机理'>1.2.6 LiFePO₄的结构及充放电机理
• 4 的合成方法'>1.2.7 LiFePO₄的合成方法
• 4 的改性研究'>1.2.8 LiFePO₄的改性研究
• 1.3 锂离子电池负极材料
• 1.3.1 碳材料负极材料
• 1.3.2 非碳负极材料
• 1.4 本文的选题背景
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 实验用仪器、设备、材料及实验方法
• 2.1 实验仪器和设备
• 2.2 实验主要原料
• 2.3 粘结剂、导电剂、隔膜和锂箔
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 原料的处理
• 2.4.2 试样的合成
• 2.4.3 手套箱的氛围处理
• 2.4.4 正极膜的制备
• 2.4.5 电解液的配制
• 2.4.6 模拟电池的装配
• 2.5 实验研究方法
• 2.5.1 试样的X 射线衍射分析
• 2.5.2 试样的形貌分析
• 2.5.3 试样电子电导率的测定
• 2.5.4 试样的恒电流充、放电测试
• 2.5.5 试样的电化学阻抗分析
• 2.5.6 试样的粒度分析
• 2.5.7 试样的振实密度测定
• 4的结构及电化学性能的影响'>第3章 碳源对LiFePO₄的结构及电化学性能的影响
• 3.1 试样的制备
• 3.2 试样的XRD
• 3.3 试样的SEM
• 3.4 试样的恒流充放电性能
• 3.5 试样的电子电导率
• 3.6 本章小结
• 4试样的结构和电化学性能影响'>第4章 碳包覆量对LiFePO₄试样的结构和电化学性能影响
• 4.1 试样的制备
• 4.2 试样的XRD 分析
• 4.3 试样的SEM 图像
• 4.4 试样的恒流充放电性能分析
• 4.5 试样的电子电导率
• 4.6 本章小结
• 4结构和电化学性能的影响'>第5章 金属离子掺杂对LiFePO₄结构和电化学性能的影响
• 2+的掺杂对LiFePO₄ 性能影响的研究'>5.1 Mg²⁺的掺杂对LiFePO₄性能影响的研究
• 2+掺杂LiFePO₄ 试样的XRD'>5.1.1 Mg²⁺掺杂LiFePO₄试样的XRD
• 2+掺杂LiFePO₄ 试样的SEM 图像'>5.1.2 Mg²⁺掺杂LiFePO₄ 试样的SEM 图像
• 2+掺杂LiFePO₄ 试样的振实密度'>5.1.3 Mg²⁺掺杂LiFePO₄试样的振实密度
• 2+掺杂LiFePO₄ 试样的电子电导率'>5.1.4 Mg²⁺掺杂LiFePO₄试样的电子电导率
• 2+掺杂LiFePO₄ 试样的EIS'>5.1.5 Mg²⁺掺杂LiFePO₄试样的EIS
• 2+掺杂LiFePO₄ 试样的恒流充放电性能分析'>5.1.6 Mg²⁺掺杂LiFePO₄试样的恒流充放电性能分析
• 3+的掺杂对LiFePO₄ 性能影响的研究'>5.2 Cr³⁺的掺杂对LiFePO₄性能影响的研究
• 3+掺杂LiFePO₄ 试样的XRD 分析'>5.2.1 Cr³⁺掺杂LiFePO₄ 试样的XRD 分析
• 3+掺杂LiFePO₄ 试样的SEM 图像分析'>5.2.2 Cr³⁺掺杂LiFePO₄ 试样的SEM 图像分析
• 3+掺杂LiFePO₄ 试样的振实密度'>5.2.3 Cr³⁺掺杂LiFePO₄试样的振实密度
• 3+掺杂LiFePO₄ 试样的电子电导率'>5.2.4 Cr³⁺掺杂LiFePO₄试样的电子电导率
• 3+掺杂LiFePO₄ 试样的EIS'>5.2.5 Cr³⁺掺杂LiFePO₄试样的EIS
• 3+掺杂LiFePO₄ 试样的恒流充放电性能分析'>5.2.6 Cr³⁺掺杂LiFePO₄试样的恒流充放电性能分析
• 4+的掺杂对LiFePO₄ 性能影响的研究'>5.3 Ti⁴⁺的掺杂对LiFePO₄性能影响的研究
• 4+掺杂LiFePO₄ 试样的XRD 分析'>5.3.1 Ti⁴⁺掺杂LiFePO₄ 试样的XRD 分析
• 4+掺杂LiFePO₄ 试样的SEM 图像分析'>5.3.2 Ti⁴⁺掺杂LiFePO₄ 试样的SEM 图像分析
• 4+掺杂LiFePO₄ 试样的振实密度'>5.3.3 Ti⁴⁺掺杂LiFePO₄试样的振实密度
• 4+掺杂LiFePO₄ 试样的电子电导率'>5.3.4 Ti⁴⁺掺杂LiFePO₄试样的电子电导率
• 4+掺杂LiFePO₄ 试样的EIS'>5.3.5 Ti⁴⁺掺杂LiFePO₄试样的EIS
• 4+掺杂LiFePO₄ 试样的恒流充放电性能分析'>5.3.6 Ti⁴⁺掺杂LiFePO₄试样的恒流充放电性能分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录