由不同晶型Fe2O3制备LiFePO4/C正极材料工艺研究

摘要

自1997年被提出可用作锂离子电池正极材料以来，磷酸亚铁锂（LiFePO4）因其安全、环保、循环寿命长、资源丰富等优点，尤其是近年来经颗粒纳米化、表面包覆碳、局外金属离子掺杂等手段有效地克服了其本征电子导电率和锂离子扩散率较低的缺点后，磷酸亚铁锂材料现已被广泛应用于动力型和储能型锂离子电池。
　　制备磷酸亚铁锂所用的铁源，按照价态分为二价铁（如：草酸亚铁，醋酸亚铁，磷酸亚铁等）和三价铁（如：硝酸铁，磷酸铁，Fe2O3，柠檬酸铁等）两类。以氧化铁红为原料制备磷酸亚铁锂正极材料已有文献报道，但Fe2O3具有多种同质异构体，其晶体结构与磷酸亚铁锂正极材料电化学性能之间的关系目前仍不清楚，本论文对此进行探讨，结果如下：
　　分别采用化学沉淀法、热分解法和声波降解法制备出长方形片状α型(长约500 nm，宽约50 nm)、短棒状β型(长约400 nm，宽约100 nm)和针状γ型(长约360～720 nm)三种不同晶体结构的Fe2O3。并以这三种Fe2O3为铁源，配以LiOH、NH4H2PO4、蔗糖等原料，经球磨混合、高温固相反应法制备出LiFePO4/C复合正极材料。并采用XRD、SEM、实验电池电化学性能测试等手段对所制 Fe2O3及LiFePO4/C复合正极材料的晶体结构、形貌和电化学性能进行了表征与分析。
　　经对高温固相反应温度和反应时间的筛选，以α-Fe2O3，β-Fe2O3和γ-Fe2O3三种晶型的Fe2O3为铁源制备LiFePO4/C复合材料，适宜的反应温度为650 oC，适宜的反应时间为10 h。
　　半电池充放电实验显示，在碳含量(1wt.％-3wt.%)较低情况下，由γ-Fe2O3所制LiFePO4/C正极材料，在0.1C-10.0C倍率下的放电比容量，优于由α-Fe2O3或由β-Fe2O3所制 LiFePO4/C正极材料的放电比容量。在碳含量较高(4wt.%，5wt.%)情况下，由α-Fe2O3或由β-Fe2O3所制LiFePO4/C正极材料在0.1C-10C倍率下的放电比容量，有较大幅度的提升，甚至超过相同碳含量由γ-Fe2O3所制LiFePO4/C正极材料的放电比容量。
　　以α-Fe2O3作为铁源制备LiFePO4/C正极材料，适宜的碳含量为5wt.%；以β-Fe2O3和γ-Fe2O3作为铁源制备LiFePO4/C正极材料，适宜的碳含量为3wt.%。以α-Fe2O3，β-Fe2O3和γ-Fe2O3三种晶型的Fe2O3为铁源所制LiFePO4/C复合材料在不同倍率下的充放电比容量和充放电循环性能，与所用Fe2O3晶型的相关性较小，而与不同晶型Fe2O3的颗粒大小相关性较大。
　　在优化碳含量的基础上，对Mg2+掺杂量进行了筛选，结果表明，以α-Fe2O3和β-Fe2O3为铁源制备的样品，在Mg2+的掺杂量(摩尔比)为0.04时，样品的放电比容量较高，但相比于未掺杂的样品，其放电比容量变化不大；以γ-Fe2O3为铁源制备的样品在Mg2+的掺杂量为0.01时，其电化学性能较好，相比于未掺杂样品，其放电比容量有明显的提高。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 LiFePO4的简单介绍

1.3 Fe2O3的简单介绍

1.4 论文选题依据和实验内容

第二章实验试剂、仪器与测试方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 LiFePO4/C正极材料的制备过程

2.3 实验测试方法

第三章不同晶型的Fe2O3的制备

3.1 三氧化二铁的制备过程

3.2 结果与分析

3.3 本章小结

第四章以不同晶型的Fe2O3为铁源制备LiFePO4/C正极材料

4.1 LiFePO4/C正极材料反应温度的筛选

4.2 LiFePO4/C正极材料反应时间的筛选

4.3 不同晶型的Fe2O3对制备的LiFePO4/C复合材料性能的影响

4.4 不同碳含量对制备LiFePO4/C正极材料性能的影响

4.5 本章小结

第五章Mg2+掺杂对LiFePO4/C性能的影响

5.1 实验内容

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

结论

参考文献

个人简历

攻读硕士期间研究成果

致谢