双离子共掺杂和碳包覆LiMnPO4材料结构与电化学性能的研究

摘要

橄榄石型结构LiMnPO4作为锂离子电池正极材料，具有很多优点:如成本低、对环境友好、电压平台高(4.1V)、能量密度高(697Wh·kg-1)兼容现有的电解液体系等，是一种很有应用潜力的正极材料。但是，由于它的电子电导率很低，严重影响了它的倍率性能，限制了它的商业化应用进程。
　　本论文通过碳包覆和双离子共掺杂来提高LiMnPO4材料的电子和离子电导率。用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、恒电流技术、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)技术等研究了双离子掺杂改性对材料结构和电化学性能的影响。
　　结果表明，Fe2+-Ti4+、Fe2+-V3+、Fe2+-Nb5+、Fe2+-Al3+这四组复合离子掺杂都是以固溶体的形式进入到LiMnPO4晶格，导致了晶格的收缩或增大，晶胞体积也随之发生了变化，其中Li(Mn0.85Fe0.15)0.92Ti0.08PO4/C、Li(Mn0.85Fe0.15)0.95V0.05PO4/C、 Li0.995Nb0.005Mn0.85Fe0.15PO4/C以及Li0.995Al0.005Mn0.85Fe0.15PO4/C的电化学性能最好，1C下的首次放电比容量分别为139.8、146.8、143.1和141.4mAh·g-1，经过50次充放电循环后，容量的保持率分别为:102.3％、99.5％、100.9％和97.9％。60℃高温下它们的1C放电比容量分别为:166.0、165.5、161.3和154.4mAh·g-1。在0.2C、0.5C、1C、2C和5C下的倍率性能分别为:155、148、141、123、100 mAh·g1;163、154、142、120、71mA·h/g;166、153、144、129、97 mAh·g1;156、147、136、112、61 mAh·g-1。说明双离子掺杂能有效地提高材料的容量、循环性能、倍率性能和高温性能。EIS和CV表明，复合离子掺杂减小了锂离子在电极之间的脱嵌阻力和极化程度，增大锂离子的扩散速率，使材料具有较好的电化学性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 正极材料LiMnPO4的结构和充放电机理

1．2 磷酸锰锂的合成方法

1．2．1 高温固相法

1．2．2 溶胶-凝胶法

1．2．3 水热／溶剂热法

1．2．4 多元醇法

1．2．5 喷雾热解法

1．3 正极材料LiMnPO4的改性研究

1．3．1 表面碳包覆

1．3．2 颗粒细化

1．3．3 掺杂改性

1．4 选题的依据和研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验主要的原材料

2．2 实验仪器和设备

2．3 材料的合成

2．4 材料结构与形貌表征

2．5 材料的电化学性能测试

2．5．1 电极的制备

2．5．2 电池的组装

2．5．3 电池的充放电测试

2．5．4 循环伏安测试(CV)

2．5．5 交流阻抗测试(EIS)

第三章 结果与讨论

3．1 引言

3．2 Fe-Ti离子复合掺杂

3．2．1 Fe-Ti掺杂对材料结构和形貌的影响

3．2．2 Fe-Ti掺杂对材料电化学性能的影响

3．3 Fe-V离子复合掺杂

3．3．1 Fe-V掺杂对材料结构和形貌的影响

3．3．2 Fe-V掺杂对材料电化学性能的影响

3．4 Fe-Nb离子复合掺杂

3．4．1 Fe-Nb掺杂对材料结构和形貌的影响

3．4．2 Fe-Nb掺杂对材料电化学性能的影响

3．5 Fe-Al离子复合掺杂

3．5．1 Fe-Al掺杂对材料结构和形貌的影响

3．5．2 Fe-Al掺杂对材料电化学性能的影响

3．6 离子协同作用分析

3．6．1 结构对比分析

3．6．2 电化学性能对比分析

第四章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文