锂离子电池正极Li2FeSiO4/C纳米复合材料的合成与表征

摘要

硅酸盐类聚阴离子材料 Li2MSiO4(Fe、Mn等)由于其潜在的高理论容量、优异的的安全性能、廉价环保的原料来源等突出优势，被认为是锂离子电池领域很有发展潜力的一类新型正极材料。其中最具有代表性的Li2FeSiO4材料与LiFePO4相似，具有电化学循环稳定性高、倍率性能突出、热稳定性好等优点，但材料存在电子电导率与锂离子迁移速率低，结构中第二个锂很难脱出导致高理论容量无法实现等缺点，制约了其在高倍率大容量电极材料制备中的应用。
　　本文分别采用柠檬酸溶胶凝胶法和机械球磨辅助高温固相法，制备了Li2FeSiO4/C纳米复合材料，分别研究了不同制备方法下获得材料的微观形貌、元素组成及电化学性能，并分析了烧结控制温度和碳含量对不同制备方法下材料微观结构和电化学性能的影响。
　　以乙酸锂 CH3COOLi·2H2O、柠檬酸铁 C6H5FeO7·5H2O和硅酸四乙酯(C2H5O)4Si为反应物，柠檬酸为络合剂，采用溶胶凝胶法成功制备出了Li2FeSiO4材料。优化烧结温度的结果为：在700℃下烧结获得的Li2FeSiO4材料性能最好，1/16C下首次放电容量为118.0 mAh g-1，35次循环后放电容量为79mAh g-1，容量保持率为67％。以蔗糖为碳源，溶胶凝胶法制备Li2FeSiO4/C复合材料，烧结温度为600℃时制备材料在2.6~2.8 V区平台性较好，首次充电容量为86 mAh g-1，放电容量为65 mAh g-1，12次循环后可逆容量衰减到45 mAh g-1，容量保持率为69%。
　　使用机械球磨法混合，以蔗糖为碳源，分别在烧结温度600℃、650℃、700℃、750℃下高温烧结制备 Li2FeSiO4/C复合材料。在650℃、700℃下烧结制备的材料，具有纳米微晶颗粒镶嵌在无定形碳中的镶嵌结构，在这种镶嵌结构中无定形碳包裹在纳米微晶颗粒表面构成相互连接的导电网络，大大提高了材料的电子导电性，纳米微晶的尺寸只有十几纳米，有利于缩短锂离子的迁移距离。电化学测试显示，1/10C首次放电容量约为141 mAh g-1，0.5C充放电首次放电容量约为100 mAh g-1，50次循环后，放电容量仍保持在90 mAh g-1左右，1C充放电倍率下首次放电容量60 mAh g-1，循环20次后增大到80 mAh g-1，50次循环后放电容量仍保持在70 mAh g-1以上。以蔗糖为碳源（按蔗糖碳化率为14%计算）优化碳含量制备 Li2FeSiO4/C复合正极材料的结果为：添加7.5%碳的Li2FeSiO4/C材料（实测碳含量为8.6%），XRD、SEM、TEM研究发现，此时材料的团聚程度最小，具有无定形碳中镶嵌 Li2FeSiO4纳米微晶的镶嵌结构。电化学性能测试发现，添加7.5%碳的Li2FeSiO4/C材料0.1C首次放电容量可达141 mAh g-1，经过几次循环后，容量略有增大，最高可达150 mAh g-1。0.5C充放电首次放电容量约为103.6 mAh g-1，50次循环后，放电容量约为97.6 mAh g-1左右，1C充放电倍率下首次放电容量为88.6 mAh g-1，50次循环后放电容量仍保持在78 mAh g-1左右。

目录

锂离子电池正极Li2FeSiO4/C纳米复合材料的合成与表征

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF Li2FeSiO4/C NANOCOMPOSITE CATHODE MATERIAL FOR LITHIUM-ION BATTERIES

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概况

1.2.1 锂离子电池负极材料的研究现状

1.2.2 锂离子电池正极材料的研究现状

1.3 正极材料Li2MSiO4(Fe、Mn等)研究现状

1.3.1 硅酸铁锂(Li2FeSiO4)材料的研究

1.3.2 硅酸锰锂Li2MnSiO4与其他Li2MSiO4类材料

1.4 本文的研究内容

第2章 实验材料及测试方法

2.1 实验材料及仪器设备

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2 材料制备方法

2.2.1 溶胶凝胶制备Li2FeSiO4/C夊合材料

2.2.2 高温固相法制备Li2FeSiO4/C夊合材料

2.3 材料的物理性能表征

2.3.1 X射线粉末衍射（XRD）

2.3.2 扫描电子显微镜技术（SEM）

2.3.3 透射电子显微镜技术（TEM）

2.4 极片制备及电池装配与测试

2.4.1 电极制备

2.4.2 电池装配与测试

2.4.3 充放电测试

2.4.4 循环伏安测试

2.4.5 交流阻抗测试

第3章 溶胶凝胶法制备Li2FeSiO4材料

3.1 Li2FeSiO4结构表征和电化学性能研究

3.1.1 XRD物相分析与SEM形貌分析

3.1.2 Li2FeSiO4电化学性能与元素分析

3.2 Li2FeSiO4/C的制备、表征与性能研究

3.2.1 XRD物相分析与SEM结构分析

3.2.2 电化学充放电性能分析

3.3 球磨分散对Li2FeSiO4/C性能的影响研究

3.4 草酸亚铁为铁源Li2FeSiO4材料的性能研究

3.5 本章小结

第4章 固相法制备Li2FeSiO4/C及性能研究

4.1 650℃制备Li2FeSiO4/C性能研究

4.1.1 材料XRD及SEM表征分析

4.1.2 材料电化学性能测试

4.2 Li2FeSiO4/C烧结温度的优化

4.2.1 材料XRD、SEM及TEM表征

4.2.2 上同温度制备Li2FeSiO4/C电化学性能研究

4.3 碳含量对Li2FeSiO4/C微观结构与性能的影响

4.3.1 材料的XRD及SEM表征分析

4.3.2 上同碳含量Li2FeSiO4/C的电化学性能

4.3.3 实测含碳8.3%Li2FeSiO4/C的结构与电化学性能

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢