锂离子电池阴极材料LiFePO4的研制

摘要

锂离子电池阴极材料LiFePO4（又称正极材料LiFePO4）以其对环境友好，电压平台平稳，结构稳定，安全性能出色和使用寿命较长等优点而受到广泛关注。但是，LiFePO4本身的电子和离子导电性极差，限制了其充放电性能。因此，人们采用包覆导电剂（导电碳、金属颗粒等）和金属离子掺杂等改性措施来提高其电化学性能。
　　本文采用工艺简单、操作方便的高温固相法，用低成本的Li3PO4、FePO4·xH2O、Fe粉和蔗糖作为原料合成LiFePO4。用将Mg2+和Cu2+分别对LiFePO4/C复合物进行掺杂。用脉冲激光沉积法(PLD)制备LiFePO4薄膜，并优化了脉冲激光沉积参数。通过XRD、SEM等测试手段，研究了各个样品的晶体结构和表面形貌，重点研究脉冲激光沉积参数对薄膜的结晶性能和表面形貌的影响，并且研究了样品的电化学性能。
　　掺杂Mg2+和Cu2+后的LiFePO4/C粉末，其XRD图谱与纯相的正交橄榄石型结构的LiFePO4的标准谱（JCPDS40-1499）相符合，图谱中的衍射峰峰型比较尖锐，峰宽很窄，而且没显示出掺杂物(MgO、ZnO和CuO)的峰。在0.2C下，掺杂Cu2+的样品首次放电比容量115.84mAh/g，比未掺杂时首次放电比容量77.7mAh/g有很大提高，循环50次后，放电容量高达93.4％。
　　对脉冲激光的制备LiFePO4薄膜的工艺进行了研究。发现：（1）薄膜的取向受温度、气压和激光能量的影响。随退火温度的升高，衍射峰的显著加强。沉积时间对薄膜的结晶度影响并不是很明显。（2）基片镀金属膜和薄膜包覆金属膜都会改变薄膜的结晶性能和表面形貌，使薄膜的择优取向发生改变，并且减少薄膜表面的团聚颗粒的生成，使得薄膜表面颗粒比较均匀。
　　对所得到的薄膜进行电化学性能测试。经过650℃退火3h，薄膜（基片温度为650℃，真空室内压强为10Pa，沉积时间为3h）在0.2C时初始放电比容量由34.8mAh/g提高到65.2mAh/g。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3磷酸铁锂（LiFePO4）简介

1.4 LiFePO4的制备方法和研究现状

1.5 本论文的内容与意义

第二章 实验部分

2.1 引言

2.2 实验装置简介

2.3 实验方案简介

第三章 对LiFePO4/C复合材料的掺杂改性

3.1 引言

3.2 LiFePO4粉末的表征

3.3 LiFePO4粉末的电化学性能

3.4 小结

第四章 脉冲激光沉积（PLD）制备LiFePO4薄膜的工艺研究

4.1 引言

4.2 LiFePO4靶材制备

4.3 脉冲激光沉积系统制备薄膜过程

4.4 脉冲激光沉积法的工艺研究

4.5 LiFePO4薄膜的电化学性能

4.6 小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献