锂离子电池铬钼铁锂氧化物正极材料的制备和电化学性能研究

摘要

LiFePO4正极材料在成本、高温性能、安全性等方面具有优势，已成为当前主流的动力型锂离子电池的正极材料。但是，LiFePO4仍存在堆积密度低、生产工艺复杂、性能稳定性差等问题。我们合成了几种新型正极材料:LiMFeOx(M=Cr, Mo)和LiMoCrOx，研究了还原温度和化学计量比对其电化学性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、电子扫描(SEM)对材料的结构和形貌进行表征，恒电流充放电测试对其电化学性能进行分析，探索其作为锂离子电池正极材料的可行性。具体研究工作如下:
　　(1)共沉淀法制备LiCrFeOx。用Cr(NO3)3和Fe(NO3)3为原料，加(NH4)2CO3产生沉淀物，烧结获得前驱体，加锂盐煅烧，获得LiCrFeOx正极材料。SEM分析表明，共沉淀法制备的材料粒径小（100nm左右），颗粒分布均匀。通过实验对照，研究不同的(Cr、Fe、Li)摩尔比、还原温度，对材料的电化学性能的影响。恒电流充放电测试表明，化学计量比为Li2CrFeOx(Cr∶Fe=1、Li∶Cr=2)时，通H2高温700℃还原，首次充电容量为142.9mAhg-1，首次库仑效率为74.2％。虽然首次库仑效率不高，但是随着循环的进行，性能逐渐改善。
　　(2)高温固相法合成LiMoFeOx材料。将原料(NH4)6Mo7O24·4H2O和Fe2O3粉末研磨混合均匀，煅烧获得前驱体。实验对照表明，化学计量比为Li3Mo1.5FeOx时，当还原温度从700℃提高到780℃时，首次充电容量从54.4mAhg-1大幅提高到141.9mAhg-1。摩尔比满足Li∶Mo≤2时，随着锂含量的增加，首次充电容量逐渐增加，电化学性能也随之改善。
　　(3)共沉淀法制备LiMoCrFeOx。将(NH4)6Mo7O24·4H2O、Cr(NO3)3和Fe(NO3)3的混合溶液沉淀、烧结，加锂盐煅烧获得前驱体。XRD测试结果表明，Li2.85Mo1.2Cr03FeOx为LiCr3Fe2Ox和LiMo3Fe2Ox组成的复合体系，氧化钼和氧化铬相互混合，分隔成极细颗粒，增加了正极材料的锂离子传输通道，提高了充电容量。化学计量比为Li2.85Mo1.2Cr0.3FeOx时，电化学性能较佳，首次充电容量为176.7mAhg-1，首次库仑效率为91.66％。电池充放电测试表明，钼与铬摩尔比一定时，锂含量增加，首次充电容量和电化学性能均得到提高。随着铬含量的增加，氧化铬的原子间作用力增强，降低了Li+扩散系数，电化学性能降低。
　　(4)共沉淀法制备LiMoCrOx。将(NH4)6Mo7O24·4H2O和Cr(NO3)3的混合溶液沉淀、烧结，加锂盐煅烧获得产物。用低价态钼取代铁，产物的库仑效率和充电容量较前三组有明显提高。实验对照表明，随着铬含量的减少，首次充电容量从132.1mAhg-1提高到190.4mAhg-1。恒电流充放电测试表明，材料Li1.75MoCr0.5Ox的电化学性能较佳，首次库仑效率高达96.1％，解决循环过程中不可逆的容量损失是未来探究的关键。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池的简介

1．2．1 锂离子电池的诞生与历史

1．2．2 锂离子电池的结构和工作原理

1．3 锂离子电池的性能特点

1．4 锂离子电池正极材料

1．4．1 锂离子电池正极材料的要求

1．4．2 锂离子电池正极材料的研究现状

1．4．3 正极材料的制备

1．5 选题依据及研究内容

第二章 共沉淀法合成锂铬铁氧化物及其结构、性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要实验试剂

2．2．2 主要实验仪器

2．2．3 样品的制备

2．2．4 电极极片的制备

2．2．5 测试电池模型的设计和组装

2．2．6 样品的检测和电化学性能的测试

2．3 结果和分析

2．3．1 物相分析

2．3．2 形貌分析

2．3．3 电化学性能分析

2．4 本章小结

第三章 高温固相合成锂钼铁氧化物及其结构、性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要实验试剂

3．2．2 主要实验仪器

3．2．3 样品的制备

3．2．4 电极极片的制备

3．2．5 电池的组装与测试

3．2．6 锂离子电池的表征

3．3 结果与讨论

3．3．3 电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 共沉淀法合成锂钼铬铁氧化物及其结构、性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要实验试剂

4．2．2 主要实验仪器

4．2．3 样品的制备

4．2．4 电极极片的制备

4．2．5 电池测试的组装

4．2．6 样品表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 XRD分析

4．3．2 形貌分析

4．3．3 电化学性能分析

4．3 本章小结

第五章 共沉淀法合成锂钼铬氧化物及其结构、性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 主要实验试剂

5．2．2 主要实验仪器

5．2．3 样品的制备

5．2．4 极片制备和电池组装

5．2．5 样品表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 XRD分析

5．3．2 形貌分析

5．3．3 电化学性能分析

5．4 本章小结

第六章 总结

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢