生物碳包覆LiFePO4正极材料的制备及其性能研究

摘要

磷酸铁锂（LiFePO4）作为最具发展潜能的锂离子电池正极材料之一，已经被广泛地运用于电子设备、电动汽车中。但由于 LiFePO4自身结构的原因，其正极材料的电子电导率和锂离子传输速率低。大量研究表明，在 LiFePO4表面包覆碳可以有效地解决这一问题，然而目前的碳包覆工艺繁琐，大多需要二次烧结，且包覆效果不理想。本论文针对上述问题，基于生物矿化这一概念，采用取材方便、成本低廉的酵母菌作为生物碳源，制备包覆效果良好的 LiFePO4/C材料，并系统地研究了酵母菌浓度及前驱液 pH 值对样品电化学性能的影响。主要研究内容如下： 一、采用生物-溶胶凝胶法制备 LiFePO4/C材料，并探究了酵母菌浓度对样品的影响。研究结果表明：四种不同酵母菌浓度下均可制备出 LiFePO4/C材料，加入酵母菌后样品的形貌和粒径发生明显变化，酵母菌浓度对样品性能有较大的影响。酵母菌浓度为20 g/L时，制备的LiFePO4颗粒均为球形或椭圆形，颗粒大小为100-300 nm左右，分散均匀，没有团聚现象，在 LiFePO4表面形成了均匀的碳包覆层，碳层厚度为20.37 nm。电化学测试发现，加入酵母菌后制备的 LiFePO4/C材料的电化学性能明显优于未加酵母菌时制备的样品的电化学性能。 二、通过生物-水热法制备 LiFePO4/C材料，将酵母菌作为生物碳源，对比了四种不同酵母菌浓度条件下制备的 LiFePO4/C材料。研究结果表明：当酵母菌浓度为20 g/L时，LiFePO4颗粒大多数为球形或椭球形，少数为小块，大小颗粒混合分布，小颗粒填充在大颗粒的空隙中，减小了离子的传输距离，有利于提高材料的电化学性能。在 0.1C倍率下，样品的首次放电比容量达到 158.7 mAh/g，与未加酵母菌时制备的LiFePO4的放电比容量（124.7 mAh/g）相比较有明显的提高，电池稳定性较好。 三、研究了前驱液pH值对生物-水热法合成的 LiFePO4/C材料的形貌及其性能的影响。研究发现，在不同的前驱液 pH值（pH=3，5，7，8，9）条件下，均可制备出 LiFePO4/C材料，样品的形貌和电化学性能发生了明显的变化。当前驱液pH=8时，样品的电化学性能最好，电池稳定性较好。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 锂离子电池正极材料概述

1.2 磷酸铁锂正极材料

1.3 本文研究内容及创新性

第2章 酵母菌浓度对生物-溶胶凝胶法合成LiFePO4/C性能的影响

2.1 前言

2.2 实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 酵母菌浓度对生物-水热法合成LiFePO4/C性能的影响

3.1 前言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 前驱液pH值对生物-水热法合成LiFePO4/C形貌及其性能的影响

4.1 前言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

总结与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文