Na掺杂LiFePO4及其石墨烯复合材料的制备与电化学性能

摘要

锂离子电池包括正极材料、负极材料、隔膜和电解质等，正极材料的发展速度慢是制约锂离子电池高速发展的重要原因。LiFePO4是一种优良的正极材料，因其价格低廉、理论容量高、安全无污染及循环性能好而被人们所重视。然而，它的电导率低及大倍率下的充放电性能较差大大限制了其发展。为了改变它的性能，人们采用了很多的手段，如合成工艺优化、碳包覆、细化晶粒、金属基复合及掺杂正价离子。
　　本文采用的方法为水热法，通过对添加原料的顺序、添加剂种类、添加剂含量、装料体积、反应温度、反应时间等影响因素的调控，对各自的水热产物进行X射线衍射及扫描电子显微镜分析，并根据分析结果，揭示了这些因素的影响规律，制备出分散良好的、形貌完整及颗粒细小均匀的纳米颗粒，并分析了其机理，优化出一个相对合理的工艺参数。
　　优化后的工艺方案具体如下：先将磷酸盐和锂盐均匀混合，然后加入铁盐，均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，200oC反应5h，分散剂选用聚乙二醇400，其使用量为32mL，装料体积80mL，即添加剂体积比为0.4时最佳。
　　通过对优化工艺之后的产物进行X射线衍射、扫描电子显微镜及傅里叶红外光谱分析和表征，得出该水热产物为纯相LiFePO4，不含杂质。再进行电化学性能测试之后发现，其循环性能和倍率性能良好，极化现象较小。
　　采用优化过的工艺参数进行Na掺杂，通过XRD和FTIR分析，得到掺杂之后的产物均含有LiFePO4的特征峰，不含杂质。计算其晶胞参数，晶格发生轻微的畸变，结果表明成功地将Na固溶到LiFePO4的晶体结构当中，形成了掺杂材料。通过其电化学性能的测试，发现仅掺杂之后其放电比容量略有降低，但是极化现象减小。在各种掺杂粉体中，当掺杂量为3％时，电化学性能最佳。
　　对纯相LiFePO4和掺杂Na的LiFePO4进行石墨烯复合，测其产物的电化学性能。结果表明仅复合石墨烯，材料的电化学性能没有显著提高，但是极化现象减小。但是，掺杂和复合结合起来，同时进行，会发生耦合作用，会大幅提高材料的放电比容量和倍率性能，并减少材料的极化现象和阻抗，使电子转移速度加快，其中掺杂量为3%时，效果最佳。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 正极材料概述

1.4 磷酸铁锂的制备方法

1.5 LiFePO4的改性方法

1.6 本文主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料及设备

2.2 电极材料的制备

2.3 组装扣式电池

2.4 表征方法与测试

第3章 LiFePO4的工艺优化及电化学性能

3.1 引言

3.2 纯相LiFePO4的制备与表征

3.3 纯相LiFePO4的表征及电化学性能分析

3.4 本章小结

第4章 掺杂Na的LiFePO4合成及电化学性能

4.1 引言

4.2 掺杂Na的LiFePO4材料的合成及表征

4.3 电化学性能

4.4 本章小结

第5章 复合石墨烯掺杂材料的合成及电化学性能

5.1 引言

5.2 纯相LiFePO4及掺杂Na的LiFePO4材料与石墨烯复合及表征

5.3 电化学性能

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢