高倍率锂离子电池正极材料LiFePO4的研究

论文摘要

橄榄石型磷酸亚铁锂（LiFePO4）因其理论容量高（170mAh/g）、结构稳定、资源丰富、安全性能好、无毒对环境友好,是一种十分有前途的锂离子电池正极材料。但LiFePO4极低的电子导电率和锂离子扩散系数引起大倍率充放电时可逆容量的大幅衰减。本文主要围绕改善LiFePO4的电子导电率和锂离子扩散系数从而提高其高倍率性能而展开。论文在研究研磨方法、锂源、碳源对材料性能影响的基础上,选用LiF、FeC2O4·2H2O、（NH4）H2PO4和蔗糖为原料,高速分散剪切,高温固相合成LiFePO4/C。并且通过X射线衍射（X-Ray Diffraction, XRD）分析和扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）观察,研究了合成工艺对LiFePO4结构、形貌的影响,恒流充放电测试研究了合成材料的比容量和循环性能,循环伏安（Cyclic Voltammogram, CV）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscope,EIS）简单分析了材料的电化学反应机理。结构与形貌分析表明,合成的LiFePO4/C材料具有与LiFePO4完全相同的橄榄石结构,LiFePO4晶体生长比较完整,粒度较大,大部分为表面光滑的球形或椭球形大颗粒;合成的LiFePO4/C材料组装成的电池充放电研究表明,蔗糖掺杂量相对LiFePO4为15mass%时,制备的LiFePO4/C材料具有最高的比容量和较好的高倍率性能,在0.2C下放电容量达到138 mAh/g,5C放电容量达到98 mAh/g,10C下放电容量达到78 mAh/g。研究了金属元素V掺杂对LiFePO4/C结构和电化学性能的影响。所研制的改性材料LiFe1-xVxPO4和LiFePO4具有相同的橄榄石结构,当x=0.05时,所得LiFe0.95V0.05PO4材料在5C放电容量达到97 mAh/g,10C下放电容量达到77 mAh/g,通过V掺杂,材料的高倍率放电比容量和循环性能并没有得到有效改善。循环伏安和电化学阻抗谱研究表明,以LiF为锂源制备的LiFePO4/C样品的电化学可逆性更加优良;掺杂蔗糖制备的LiFePO4/C材料的导电性能优于掺杂柠檬酸制备的LiFePO4/C材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池的发展史
• 1.2 锂离子电池的工作原理
• 1.3 锂离子电池正极材料
• 1.3.1 钴酸锂
• 1.3.2 镍酸锂
• 1.3.3 锰酸锂
• 1.3.4 磷酸钒锂
• 1.4 橄榄石结构磷酸亚铁锂正极材料
• 4 的结构特性'>1.4.1 LiFePO₄的结构特性
• 4 锂离子脱嵌机理及电化学性能'>1.4.2 LiFePO₄锂离子脱嵌机理及电化学性能
• 4 的制备方法'>1.4.3 LiFePO₄的制备方法
• 4 的改性研究'>1.4.4 LiFePO₄的改性研究
• 4 的研究'>1.4.5 高倍率LiFePO₄的研究
• 1.5 选题背景及论文主要内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 实验主要原料及设备
• 2.2 材料制备
• 2.2.1 高温固相法合成样品
• 2.2.2 锂源的选择
• 2.2.3 不同磨料方法
• 2.2.4 模拟电池的组装
• 2.3 材料表征方法
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 扫描电子显微镜观察
• 2.3.3 振实密度
• 2.4 电化学性能测试
• 2.4.1 循环伏安测试
• 2.4.2 充放电性能
• 2.4.3 电化学阻抗谱测试
• 4/C 材料及其表征'>第3章 固相法合成LiFePO₄/C 材料及其表征
• 4/C 材料的合成'>3.1 LiFePO₄/C 材料的合成
• 3.1.1 合成工艺
• 3.1.2 高温反应机理
• 3.2 材料的微观形貌
• 4/C 的微观形貌'>3.2.1 不同研磨方法制备LiFePO₄/C 的微观形貌
• 4/C 的微观形貌图'>3.2.2 不同煅烧温度制备LiFePO₄/C 的微观形貌图
• 4/C 的微观形貌'>3.2.3 不同锂源制备LiFePO₄/C 的微观形貌
• 4/C 的微观形貌'>3.2.4 不同碳掺杂制备LiFePO₄/C 的微观形貌
• 4 的微观形貌'>3.2.5 钒掺杂LiFePO₄的微观形貌
• 3.3 材料的X 射线衍射谱图分析
• 3.4 样品的振实密度
• 3.5 本章小结
• 4的充放电性能研究'>第4章 LiFePO₄的充放电性能研究
• 4.1 充放电性能研究时的充放电机制
• 4.2 充放电性能研究
• 4.2.1 锂源的影响
• 4.2.2 碳源的影响
• 4.2.3 煅烧温度的影响
• 4.3 高倍率性能研究
• 4.4 本章小结
• 4的电化学性能研究'>第5章 LiFePO₄的电化学性能研究
• 5.1 循环伏安曲线分析
• 5.2 电化学阻抗谱分析
• 4/C 电极的电化学阻抗谱分析'>5.2.1 LiFePO₄/C 电极的电化学阻抗谱分析
• 4/C 电极的电化学阻抗谱分析'>5.2.2 不同碳源制备LiFePO₄/C 电极的电化学阻抗谱分析
• 5.2.3 不同荷电状态的电化学阻抗谱分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢