锂离子电池LiFePO4正极材料制备工艺与改性的研究

摘要

锂离子电池正极材料LiFePO4由于具有较高的理论比容量，稳定的循环性能以及较为廉价的成本等优点而引起人们极大的兴趣。本文以探索制备工艺和性能改善为目的，运用高温固相法，主要从以下几个主要方向着手去研究。
　　(1)研究不同含铁试剂对LiFePO4电化学性能的影响。分别以FeC2O4·2H2O和FeCl2作为铁源制备LiFePO4，前者具有较高的结晶度、较好的高倍率性能和电化学稳定性。并且，球料比10∶1，烧结温度660℃时，以FeC2O4·2H2O为铁源制备的LiFePO4具有较小的晶胞体积，较高的放电容量，10C时400个循环后仍具有87.5 mAh·g-1的放电容量。
　　(2)锰掺杂LiFePO4/C复合材料的合成及其电化学性能的研。掺杂Mn6mol％的LiFePO4/C正极材料具有较好的电化学性能，0.2C时放电容量135 mAh·-1，3C仍具有100mAh·g-1，材料具有较好的可逆性、高倍率电性能。并且，烧结22 h样品具有较好的容量性能，0.1C首次充放电容量接近140 mAh·g-1，0.2C达到134mAhg-1，3C时仍具有105mAhg-1。
　　(3)Na、Ni元素分别部分替代LiFePO4/C中Li、Fe位置，发现掺杂之后的样品电化学性能有所改善，并且掺杂后样品的晶体结构并没有改变。羧甲基纤维素钠(NaCMC)为Na源制备的样品电化学性能较好，具有较小的阻抗，较好的倍率性能。Ni掺杂量为9mol％时材料具有较好的电化学性能，0.2C具有138.15 mAh·g-1的放电容量，交换电流密度达到8.1×10-3 mAcm-2。Na和Ni共掺后能够弥补单独Na掺杂时高倍率下放电容量较低和单独Ni掺杂循环稳定性较差的缺陷。
　　(4)通过研究Zr掺杂、Al修饰、及Al修饰和Zr掺杂LiFePO4/C正极材料发现:不同量Zr掺杂进行掺杂时，由于Zr掺杂量有限，加入ZrCL4量为6mol％和9mol％时出现ZrO。加入ZrCL4量为6mol％的样品电化学性能最好。不同量Al粉进行修饰时，随着Al粉量的增加，材料的放电容量降低，并且在Al5wt％和Al7.5wt％的样品中出现了FePO4/C的杂质，不利于反应过程中锂离子的嵌入和脱出。Al粉对Zr掺杂LiFePO4/C样品进行修饰时，虽然放电容量降低，但是由阻抗测试知道Al修饰后能够提高材料的锂离子扩散速率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池

1．2．1 锂离子电池的发展历程

1．2．2 锂离子电池的运行机制

1．3 锂离子电池正极材料现状及发展前景

1．3．1 磷酸铁锂的框架结构

1．3．2 磷酸铁锂的应用缺陷

1．3．3 磷酸铁锂研究进展

1．4 本论文的研究要点

第二章 实验方法

2．1 主要化学药品

2．2 实验涉及设备

2．3 正极材料的制备

2．4 极片制作与电池封装

2．5 材料的表征测试

2．6 制备样品的性能测试

第三章 LiFePO4／C电池材料合成工艺探究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 不同Fe源LiFePO4／C样品的制备

3．2．2 样品表征

3．2．3 电池制作

3．3 分析讨论

3．3．1 不同Fe源对LiFePO4／C性能的影响

3．3．2 不同球料比和不同烧结温度对LiFePO4／C的影响

3．4 总结

第四章 锰掺杂对LiFePO4／C电化学性能的影响

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 掺杂LiFePO4／C样品的制备

4．2．2 样品表征

4．2．3 电池制作

4．3 分析讨论

4．3．1 不同量Mn掺杂LiFePO4／C

4．3．2 不同烧结时间Mn掺杂LiFePO4／C研究

4．4 本章小结

第5章 二元异位掺杂对LiFePO4／C电化学性能的影响

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 掺杂LiFePO4／C样品的制备

5．2．2 样品表征

5．2．3 电池制作

5．3 分析讨论

5．3．1 Na掺杂

5．3．2 镍掺杂

5．3．3 Na和Ni二元掺杂

5．4 总结

第六章 Al修饰和Zr掺杂对LiFePO4／C电化学性能的影响

6．1 引言

6．1 实验

6．1．1 样品的制备

6．1．2 样品的表征

6．1．3 电池制作

6．2 结果与讨论

6．2．1 不同量Zr对LiFePO4／C的影响

6．3．2 不同量Al修饰对LiFePO4／C的影响

6．3．3 Al修饰和Zr掺杂对LiFePO4／C的影响

6．4 总结

第七章 总结与展望

7．1 LiFePO4／C电池材料合成工艺探究

7．2 锰掺杂对LiFePO4／C电化学性能的影响研究

7．3 二元异位掺杂对LiFePO4／C电化学性能的影响

7．4 Al修饰和Zr掺杂对LiFePO4／C电化学性能的影响

7．5 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况