氮掺杂纳米碳改性磷酸铁锂正极材料的制备、表征与电化学性能研究

摘要

随着现代化科技的快速发展，能源与环境问题日益突出，对新能源的开发及利用提出了更高的要求。锂离子电池以其工作电压高、自放电小、无记忆效应、环保等优点，成为最有前途的能量存储系统。橄榄石型的磷酸铁锂(LiFeP O4)作为最具发展前景的一种锂离子电池正极材料，具有比容量高、价格低廉、循环寿命长、安全性能好和对环境无污染等优点。然而，较低的电子电导率和锂离子扩散系数导致了磷酸铁锂的电化学性能较差，限制了其在高倍率动力型锂离子电池中的广泛应用。因此，如何提高LiFePO4的导电率和锂离子扩散系数成为了研究的热点。碳纳米管和石墨烯等纳米碳具有奇特的性质，是一类优良的导电添加剂，而氮掺杂的纳米碳可进一步提高其物化性能。为改善LiFePO4的性能，本文采用冷冻干燥法合成氮掺杂碳纳米管-LiFePO4多孔复合材料，通过两步水热法制备氮掺杂碳纳米管-LiFePO4球形复合材料，并采用溶剂热法合成氮掺杂石墨烯气凝胶-LiFePO4复合材料。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱、氮吸附和热重等表征手段对所合成材料的形貌结构进行分析，并进一步通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等测试方法对复合材料的电化学性能进行研究。
　　本研究主要内容包括：⑴冷冻干燥法合成的氮掺杂碳纳米管-LiFePO4多孔复合材料呈现三维多孔结构。材料内部纵横交错的氮掺杂碳纳米管和孔洞可以分别为电子和锂离子提供快速传输的通道，从而提高锂离子的脱出/嵌入动力学。因此，复合材料表现出优异的放电比容量、倍率性能和循环性能。⑵两步水热法合成的氮掺杂碳纳米管-LiFePO4球形复合材料具有较高的振实密度，氮掺杂碳纳米管在微球内部构成的三维导电网络不仅提高了LiFePO4的电子电导率，而且还增加了锂离子和电子的扩散通道，缩短了锂离子的扩散距离，并进一步提高了材料的利用率。LiFePO4/N-CNTs在0.1C和1C放电比容量分别为153和140 mAh g-1，而且1C循环500次后的容量保持率为97.6％。⑶溶剂热法合成的氮掺杂石墨烯气凝胶-LiFePO4复合材料具有良好的电子电导性、高孔隙率和大比表面积，独特的结构可以为电子和离子提供三维的传输通道。通过对石墨烯基体进行氮掺杂，进一步提升电子的电导性以及电解液的润湿性，从而提高电荷转移率和锂离子扩散速率。因此，该材料具有良好的循环性能和倍率性能。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 锂离子电池概述

1．2．2 锂离子电池的构造与工作原理

1．2．3 锂离子电池正极材料研究概述

1．3 磷酸铁锂的研究进展

1．3．1 磷酸铁锂的结构特点

1．3．2 磷酸铁锂的充放电机理

1．3．3 多孔磷酸铁锂的研究进展

1．3．4 球形磷酸铁锂的研究进展

1．3．5 氮掺杂纳米碳改性磷酸铁锂的研究进展

1．4 本论文的研究内容与意义

第二章 三维多孔磷酸铁锂-氮掺杂碳纳米管复合材料的制备与性能研究

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 原料与实验仪器

2．2．2 材料制备

2．2．3 材料表征

2．2．4 电化学测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 XRD分析

2．3．2 SEM分析

2．3．3 TEM分析

2．3．4 TG与BET分析

2．3．5 XPS分析

2．3．6 电化学性能分析

2．4 本章小结

第三章 单分散磷酸铁锂微球-氮掺杂碳纳米管复合材料的制备与嵌锂性能

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 原料与实验仪器

3．2．2 材料制备

3．2．3 材料表征

3．2．4 电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 XRD表征

3．3．2 SEM分析

3．3．3 XPS分析

3．3．4 电化学性能测试

3．4 本章小结

第四章 磷酸铁锂-氮掺杂石墨烯气凝胶复合材料的制备与嵌锂性能

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 原料与实验仪器

4．2．2 材料制备

4．2．3 材料表征

4．2．4 电化学测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 XRD表征

4．3．2 SEM分析

4．3．3 TEM分析

4．3．4 TG与XPS分析

4．3．5 电化学性能测试

4．4 本章小结

5．1 主要结论

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢