新型锂离子电池正极材料Li2FeP2O7的合成及性能研究

摘要

正极材料是决定锂离子电池电化学性能的重要因素之一。新型焦磷酸盐结构材料Li2FeP2O7，其放电比容量能达到110 mAh·g-1，放电平台在3.5V，在所有Fe系磷酸盐系列正极材料中电势最高。相比LiFePO4，在没有碳包覆和纳米化改性的情况下，焦磷酸铁锂基本上能够实现一个锂离子理论容量，展现出良好的热稳定性和化学稳定性。随着技术的发展，甚至可以在高电位下实现两个锂离子充放电反应。选择适当的合成路径并优化工艺，可以改善和提高材料的电子导电性和离子导电性，为其发展成为新型动力锂离子材料提供参考。
　　本文采用固相机械球磨法烧结合成正极材料Li2FeP2O7，并对材料进行金属离子掺杂，采用X射线衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)等手段对材料的结构、成份和形貌进行了表征，并通过恒电流充放电、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)等检测方法对材料的电化学性能进行了研究，探讨了不同实验条件下对正极材料Li2FeP2O7物理性能和电化性能产生的影响。
　　首先对固相球磨法的工艺进行了优化，研究了焙烧温度、焙烧时间、碳包覆量和锂源等条件对合成材料纯度以及电化性能的影响。重点考察分析了合成Li2FeP2O7的热反应机理，发现固相烧结法制备Li2FeP2O7最佳合成温度为650℃;并研究了不同锂源(LiH2PO4、Li2CO3、LiOH、LiF)对材料Li2FeP2O7的物理化学性能的影响。实验发现，以LiH2PO4为锂源合成样品纯度最高，晶型最完整，颗粒尺寸最小;在0.025C倍率下放电，放电比容量可以达到110.3mAh·g-1，经过不同倍率循环110次之后，放电比容量仍可以达到101.6 mAh·g-1，极化最小，展现出优异的电化学性能，它比其他锂源更适合制备Li2FeP2O7。
　　同样采用固相合成法对Li2FeP2O7进行了Fe位掺杂改性，合成样品Li2Fe1-xMxP2O7/C(M=Ni，Zn，Ti，Nb)。研究表明，采用适量金属离子掺杂之后没有影响其晶体结构，同时有利于提高材料的电化性能，改善其电子导电率。特别是镍掺杂对材料Li2FeP2O7电化学性能有较大影响，在0.025C倍率下放电，样品Li2Fe0.98Ni0.02P2O7/C放电比容量可以达到110.2 mAh·g-1。循环伏安和交流阻抗分析说明合适的镍掺杂量能够提高其锂离子迁移速率，改善其倍率性能和循环性能。与纯相Li2FeP2O7相比，掺杂之后的样品电化性能得到较大改善，经过不同倍率循环100圈之后容量保持率仍有90.1％。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．2 锂离子电池的工作原理及特点

1．2．1 锂离子电池的工作原理

1．2．2 锂离子电池的发展历程及特点

1．3 锂离子电池正极材料

1．3．1 层状钴酸锂(LiCoO2)正极材料

1．3．2 尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)正极材料

1．3．3 层状镍钴锰三元(LiNi1／3CO1／3Mn1／3O2)正极材料

1．3．4 橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料

1．4 高放电平台正极材料焦磷酸盐的发展历程和研究现状

1．4．1 正极材料LiFe1+xP2O7的研究现状

1．4．2 正极材料Li2FeP2O7的研究现状

1．4．3 正极材料Li2MnP2O7的研究现状

1．4．4 正极材料Li2CoP2O7的研究现状

1．5 正极材料Li2FeP2O7的合成制备方法

1．5．1 高温固相合成法

1．5．2 低温液相合成法

1．6 本论文的研究意义和主要内容

第二章 实验方法

2．1 实验药品和材料

2．2 实验仪器

2．3 锂离子电池材料制备组装流程

2．3．1 正极片的制备

2．3．2 纽扣电池的装配

2．4 锂离子电池焦磷酸铁锂的物理化学表征

2．4．1 样品的热分析(TG-DSC)

2．4．2 X射线衍射(XRD)物相分析

2．4．3 扫描电子显微镜(SEM)形貌观察

2．4．4 透射电子显微镜(TEM)微观分析

2．4．5 X射线光电子能谱(XPS)价态分析

2．4．6 傅里叶红外光谱(FT-IR)结构分析

2．4．7 碳硫分析仪(C-S)碳含量分析

2．4．8 充放电性能测试

2．4．9 交流阻抗(EIS)测试

2．4．10 循环伏安(CV)测试

第三章 正极材料Li2FeP2O7的固相法制备及性能研究

3．1 引言

3．2 正极材料Li2FeP2O7的制备方法

3．3 结果讨论

3．3．1 高温圃相热反应的机理分析研究

3．3．2 焙烧温度对合成材料Li2FeP2O7的影响

3．3．3 焙烧时间对合成材料Li2FeP2O7的影响

3．3．4 碳包覆含量对合成材料Li2FeP2O7的影响

3．3．5 锂源选择对合成材料Li2FeP2O7的影响

3．4 小结

第四章 正极材料Li2FeP2O7／C的掺杂改性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 镍掺杂Li2FeP2O7／C的结构与电化学性能研究

4．3．1 镍掺杂Li2FeP2O7／C的结构分析

4．3．2 镍掺杂Li2FeP2O7的形貌分析

4．3．3 镍掺杂Li2FeP2O7的电化学性能分析

4．4 其它金属离子掺杂Li2Fe0．98M0．02P2O7(M=Ti，Zn，Nb)的性能研究

4．4．1 其它金属掺杂Li2Fe0．98M0．02P2O7(M=Ti，Zn，Nb)的结构分析

4．4．2 其它金属掺杂Li2Fe0．98M0．02P2O7(M=Ti，Zn，Nb)的形貌分析

4．4．3 其它金属掺杂Li2Fe0．98M0．02P2O7(M=Ti，Zn，Nb)的电化学性能分析

4．5 金属掺杂对材料Li2FeP2O7导电机制的初步探讨

4．6 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间主要成果

致谢