LiFePO4材料锂离子扩散动力学研究

摘要

橄榄石型LiFePO4 具有资源丰富、价格便宜、无毒、环境友好、热稳定性好、安全性高等优点，是最有希望取代LiCoO2 成为动力电池最具发展潜力的正极材料。但较低的电导率和锂离子扩散系数阻碍了其商业化的发展。近年来，许多研究者主要通过掺杂、表面包覆、细化粒径等多种方法来改善其电导率及锂离子扩散系数。然而对于其微观的电子结构的研究较少，缺乏相应的理论支撑。 本文首先从理论方面出发，运用Materials studio 软件中CASTEP 模块模拟出了LiFePO4及在铁位掺杂V、Mo、Mn元素和在氧位掺杂F元素的晶体模型，借助基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势平面波方法计算了LiFePO4 及其掺杂样品的能带结构、态密度等电子结构，总结掺杂前后电子结构的变化规律，得出结论；又从实验方面出发，通过分析电化学性能，对在理论方面得出的结论加以验证。 通过计算表明LiFePO4 是直接能隙的离子导体，并且其中的Li +相对独立自由，掺杂后体系均保持了单一的橄榄石结构，体系总能量均有所下降，除掺F 后晶胞体积减小外，其余掺杂体系晶胞体积均增大。掺杂F 后费米能级增大显著，且导带穿过费米面，故掺F 后体系导电性提高。在电化学性能方面的研究表明氧位掺F 后0.2C 首次放电比容量为152.2mAh/g，较高于未掺杂及其它三种掺杂体系；通过循环伏安曲线可以看出掺F 后电池的极化最小，可逆性和循环性较优于未掺杂及其它三种掺杂体系。经计算未掺杂及掺V、Mo、Mn、F 后锂离子扩散系数依次分别为1.73×10-11cm 2/s、5.26×10-11cm 2/s、0.81×10-10 cm 2/s、9.77×10-11cm 2/s 及1.52×10-9 cm 2/s，故掺F 后性能较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

第二章 研究方法及实验

第三章 LiFePO4 中锂离子扩散的研究

第四章 掺杂LiFePO4 中锂离子的扩散及对电化学性能的影响

第五章 结 论

参考文献

致 谢