微波裂解离子液体合成LiFePO4/C正极材料及其电化学性能研究

摘要

针对锂离子电池正极材料 LiFePO4离子扩散速率和电子电导率较低的缺陷，目前采取的主要改性方法为优化合成工艺控制其颗粒尺寸、添加导电性物质和添加导电金属离子等。其中碳作为导电性物质已被广泛应用，研究表明对 LiFePO4材料进行碳包覆可以极大地提高其电子电导率，从而改善电化学性能。以离子液体作为碳源对磷酸铁锂进行碳包覆的研究在国内外都非常少见。
　　离子液体具有蒸汽压低、性质稳定等特点，有利于在 LiFePO4材料表面形成均质碳膜，碳膜与 LiFePO4材料间也易于形成复合物界面层。为了研究以离子液体作为碳源，合成 LiFePO4/C正极材料的碳膜特性，进一步提高其电化学性能，本论文采用微波裂解离子液体对LiFePO4材料进行碳包覆。采用X射线衍射仪（XRD），扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对材料的化学成分、表面形貌和晶体结构进行了分析表征；采用恒电流充放电测试其电化学性能。
　　本论文的主要内容有以下三方面：
　　（1）微波裂解离子液体对水热法合成的 LiFePO4进行碳包覆：
　　以LiOH·H2O、FeSO4·7H2O和H3PO4为原料，采用微波水热法合成LiFePO4材料，微波裂解离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双氟甲烷磺酰亚胺盐（C8H11F6N3O4S2）对其进行碳包覆，合成 LiFePO4/C正极材料。
　　分析表征结果表明：该工艺下合成的磷酸铁锂具有较规则的梭状形貌，颗粒长度约为4~5μm且较均匀；离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双氟甲烷磺酰亚胺盐适合作为碳源，它的添加不会改变 LiFePO4材料的橄榄石晶体结构，也不会改变 LiFePO4材料颗粒的表面形貌和尺寸，形成的碳膜厚度约为15nm；合成的 LiFePO4/C正极材料具有较高的首次放电比容量（137.2mAh·g-1）和良好的循环性能。
　　（2）微波裂解离子液体对固相法合成的 LiFePO4进行碳包覆：
　　以FePO4、LiCO3和MgC2O4为原料，采用高温固相法合成 Mg掺杂Li0.98Mg0.02FePO4材料，微波裂解离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺（C10H15N5）对其进行碳包覆，合成 Li0.98Mg0.02FePO4/C正极材料。
　　分析表征结果表明：该工艺下合成的磷酸铁锂颗粒尺寸约为3~4μm；离子液体1-丁基-3甲基咪唑二腈胺适合作为碳源，它的添加不会改变LiFePO4材料的橄榄石晶体结构；合成的 LiFePO4/C正极材料具有较高的首次放电比容量（126.9mAh·g-1）和良好的循环性能。
　　（3）微波加热一步合成 LiFePO4/C材料：
　　以Li2CO3、FePO4、MgC2O4和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺（C10H15N5）为原料，采用微波加热法一步合成 Mg掺杂的Li0.98Mg0.02FePO4/C正极材料。
　　分析表征结果表明：离子液体为碳源的碳包覆工艺不会改变磷酸铁锂的橄榄石结构，适当的离子液体1-丁基-3甲基咪唑二腈胺的加入量，反而有利于获得颗粒均匀的磷酸铁锂材料，以及包覆完整、厚度均匀的碳膜；微波裂解离子液体一步合成的 LiFePO4/C正极材料，具有较高的首次放电比容量（130.2mAh·g-1）和良好的循环性能。

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附表索引

第 1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池正极材料

1.4 磷酸铁锂正极材料

1.5 本论文的选题依据及研究内容

第2章 微波裂解离子液体对水热法合成的LiFePO4进行碳包覆

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 微波裂解离子液体对固相法合成的LiFePO4进行碳包覆

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第 4 章 微波加热一步合成 LiFePO4/C 正极材料

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

结论与展望

参考文献

致谢

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