多孔结构磷酸铁锂的可控合成及其电化学性能研究

摘要

作为一种高性能的能量存储系统，锂离子电池（LIBs）给汽车工业带来革命性的巨大前景，被认为是近二十年的现代电化学研究中最令人印象深刻的成功之一。它们可以给大部分便携式设备提供动力，并且逐步作为动力电源应用到电动汽车。锂离子电池电极材料尤其是正极材料的研制与开发是材料科学领域的研究重点。
　　橄榄石型LiFePO4由于其固有的结构和化学稳定性，可以保证电池的安全和长循环寿命。此外，橄榄石型LiFePO4是由低成本和环境友好的Fe和PO4基团组成，这有利于它的大规模应用。因而LiFePO4成为开发低成本、高性能正极材料的研究重点。但是，低的电子传导率和低的锂离子扩散率降低了LiFePO4的倍率性能，使它的大规模应用受到限制。研究者们广泛采取纳米结构和碳包覆相结合的路线来解决上述的问题。我们前期研究发现，多孔纳米结构材料由于具有较大的比表面积、较多的活性位点以及较短的锂离子的传输距离，可以极大地提高材料的电化学性能。
　　基于以上的考虑，本论文通过微波辅助溶剂热/水热法和普通溶剂热法合成了多孔纳米等级结构的磷酸铁锂并将其用于锂离子电池正极材料，讨论了不同的实验条件对形貌及性能的影响，研究其合成机理及电化学作用机制，探讨结构与性能之间的关系。主要研究结果如下：
　　（1）采用微波辅助溶剂热法和后续的碳包覆过程制备出由50~100 nm的纳米颗粒构筑成的三维双连续介孔-大孔等级结构LiFePO4/C纳米复合材料。丰富的三维大孔使得电解液能够更好地渗透到材料中，促进锂离子的扩散；介孔提供更多的电化学反应位点；LiFePO4纳米颗粒外包覆的碳层可以提高电导率，从而促进Fe3+到Fe2+的可逆反应，并减小电极极化；此外，纳米尺度的颗粒尺寸可以缩短锂离子嵌入脱出的扩散距离。因而所合成的LiFePO4/C复合材料具有优异的电化学性能。
　　（2）分别采用微波辅助溶剂热和水热法配合后续的碳包覆过程制备出两种多孔结构LiFePO4/C微球。两种多孔微球分散性好，尺寸均为1μm左右。所合成的两种LiFePO4/C复合材料作为正极材料均具有优异的电化学性能。这归因于多个因素。一方面，多孔的结构能够提供更多的活性位点，可以加快Li+和e-在电极/电解液界面的扩散迁移。另一方面，包覆的碳层可以提高材料的导电性。
　　（3）通过溶剂热法和后续的碳包覆过程合成出一种由纳米棒密堆积组装成的等级结构LiFePO4/C介晶材料。所合成的介晶材料具有优异的电化学性能。且随着循环圈数的增加，充放电比容量也随之增加。这可能归因于独特的等级材料介晶结构，使得材料具有很强的电化学反应动力学，有更多的Li+进行嵌入脱出，同时包覆的碳层可以极大地提高电子导电性，这两者的协同作用使得我们的材料具有优异的电化学性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2锂离子电池

1.3 锂离子电池正极材料

1.4磷酸铁锂的研究进展

1.5本论文的研究意义和主要内容

第2章 微波辅助溶剂热法合成大孔-介孔LiFePO4/C

2.1 引言

2.2实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 微波辅助溶剂热/水热法合成多孔LiFePO4/C微球

3.1引言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第4章 等级结构LiFePO4/C介晶的制备及其电化学性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果