以表面活性剂为碳源合成LiFePO4/C材料的电化学性能研究

摘要

随着能源危机和环境污染的加剧，清洁能源的开发和使用逐渐受到人类的关注，然而，作为一种高效清洁的新型储能器件，锂离子电池的使用备受瞩目。具有橄榄石型结构的LiFePO4(LFP)作为锂离子电池正极材料的一种，以其低廉的价格，无污染，较高的理论容量，循环稳定好等优势，受到越来越多的青睐。但是低的电子电导率和锂离子扩散速率也严重的制约其商业化的大规模应用。
　　本文以表面活性剂为碳源合成LiFePO4/C材料，来改善其存在的问题。表面活性剂可以起到控制材料粒径大小，分散颗粒，控制形貌的作用。对样品的结构和形貌，采用XRD、SEM、TEM等手段进行表征，并采用恒流充放电系统对LiFePO4/C材料的电化学性能进行了测试。具体的研究内容如下:
　　一、采用碳热还原法，以价格低廉的FeCl3·6H2O为原料，并研究了离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和非离子型表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的用量、反应时间及煅烧温度等因素对LiFePO4材料结构、形貌以及电化学性能的影响。研究结果表明:以PVP为碳源制备的LiFePO4/C材料，颗粒分散更加均匀，颗粒间无明显团聚现象，高温煅烧后LiFePO4颗粒外包覆一层厚度约2 nm的碳层。最后，通过恒流充放电测试表明，所制备的LiFePO4/C电极材料在最佳条件下具有优异的电化学性能，在0.2 C倍率下的首次放电比容量达到162.8mAh/g;而以CTAB为碳源制备的LiFePO4/C材料在同样条件下，0.2 C倍率下的首次放电比容量可达157.4 mAh/g，在同样倍率下，没有加入表面活性剂的LiFePO4材料的放电比容量只有104.7 mAh/g。
　　二、采用简单的溶剂热法，以乙二醇与水的混合液为溶剂，PVP为碳源辅助合成了自组装LiFePO4/C微米球形电极材料，并研究了反应温度、保温时间等因素对LiFePO4/C材料电化学性能的影响。研究表明:当反应温度为200℃时保温24 h，乙二醇与水的配比为1∶2时，样品有最好的形貌及最优的电化学性能。用该种方法制备的自组装LiFePO4/C微球材料，颗粒粒径约2.5 um，并由粒径约110nm的球形颗粒组成，分散性良好，颗粒间无明显团聚现象，且LiFePO4样品外包覆着一层厚约2 nm的碳层。测试材料在不同倍率下的电化学性能，结果表明:样品具有很好的倍率性能，在0.2 C、1C、5C、10C、20 C倍率下，首次放电比容量依次为167.6 mAh/g、137.9 mAh/g、114.3 mAh/g、109.1 mAh/g、93.5mAh/g，同时样品也具有良好的循环性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简述

1．2．1 锂离子电池发展概述

1．2．2 锂离子电池的构造

1．2．3 锂离子电池的工作原理

1．2．4 锂离子电池正极材料简介

1．3 磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料

1．3．1 LiFePO4的结构特点

1．3．2 LiFePO4的充放电机理

1．3．3 LiFePO4的合成方法

1．3．4 LiFePO4材料存在的问题及有效的改善方法

1．4 表面活性剂

1．5 本课题研究思路的提出及研究内容

1．5．1 研究思路的提出

1．5．2 研究内容

第2章 碳热还原法合成LiFePO4／C材料的电化学性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及设备

2．2．2 碳热还原法合成球状LiFePO4／C电极材料

2．2．3 正极片的制备及半电池的组装

2．2．4 样品的表征和性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 LiFePO4／C材料的晶体结构表征

2．3．2 LiFePO4／C材料的晶体形貌表征

2．3．3 加入碳源对LiFePO4材料电化学性能的影响

2．3．4 CTAB和PVP用量对LiFePO4／C材料电化学性能的影响

2．3．5 反应时间对LiFePO4／C材料电化学性能的影响

2．3．6 热处理温度对LiFePO4／C材料电化学性能的影响

2．3．7 以PVP为碳源时LiFePO4／C材料的大倍率性能

2．3．8 LiFePO4／C材料的交流阻抗测试

2．4 本章小结

第3章 溶剂热法合成自组装微米球形LiFePO4／C电极材料

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及设备

3．2．2 溶剂热法合成自组装微球形LiFePO4／C电极材料

3．2．3 正极片的制备及半电池的组装

3．2．4 样品的形貌表征和性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 LiFePO4／C材料的晶体结构分析

3．3．2 LiFePO4／C材料的晶体形貌分析

3．3．3 加入碳源对LiFePO4材料电化学性能的影响

3．3．4 保温时间对LiFePO4／C材料电化学性能的影响

3．3．5 合成温度对LiFePO4／C材料电化学性能的影响

3．3．6 乙二醇与水的配比对LiFePO4／C材料电化学性能的影响

3．3．7 不同倍率下的LiFePO4／C材料的电化学性能测试

3．3．8 LiFePO4／C材料的交流阻抗测试

3．4 本章小结

论文结论

研究展望

参考文献

致谢

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