基于钛白副产制备锂离子电池电极材料(LiFePO4,α-Fe2O3)及其性能研究

摘要

随着全球资源紧张，环境污染问题的日益严重，充分开发工业废弃物的二次利用价值，发展循环经济是解决该矛盾的一个有效途径。本文以硫酸法钛白粉生产时的工业副产绿矾为原料，利用水热法、一步固相法等工艺制备 LiFePO4和纳米α-Fe2O3锂离子电池正负极材料并研究其电化学性能。具体内容如下：
　　（1）以钛白副产绿矾为原料，利用水热法制备LiFePO4正极材料。针对副产中含有Mg、Mn、Ti、Al等金属离子且含量偏高导致所制备LiFePO4电化学性能较差的特点，利用稀释原理将其与分析纯硫酸亚铁混合使用，降低铁源中的杂质含量从而提升 LiFePO4的倍率性能。对两种铁源的混合比例进行了优化，在最佳比例条件下所制备样品的倍率放电比容量超过分析纯样品，进一步碳包覆处理后，该金属离子掺杂型LiFePO4/C复合材料10 C倍率下的放电比容量可达90 mAh g-1,1 C倍率下循环100圈后的容量保持率为95.3％，具有良好的电化学性能。
　　（2）以钛白副产绿矾为原料，在溶度积理论的指导下，通过Ti，Al除杂-氧化-控制pH沉淀等反应步骤制备纳米FePO4·2H2O。从产物成分、形貌、粒径和P/Fe比等角度对除杂pH、搅拌时间、H3PO4加入量、温度等反应条件进行了优化。在最优条件下利用一步固相法制备出LiFePO4/C复合材料。充放电测试表明：该复合材料在10 C倍率下的放电比容量可达101 mAh g-1，0.5 C倍率循环100圈后的容量保持率为97.4%，具有良好的电化学性能。
　　（3）以钛白副产绿矾为原料，依据溶度积规则对其进行分段除杂后水热法制备纳米α-Fe2O3。系统的研究了不同水热温度、原料浓度、形貌控制剂种类及用量对纳米α-Fe2O3的影响，通过改变反应条件制备出不同形貌及粒径的多种纳米α-Fe2O3。一方面，以自制氧化铁为铁源，采用一步固相法制备LiFePO4正极材料并探讨了氧化铁的形貌及粒径对LiFePO4电化学性能的影响。结果表明：纳米α-Fe2O3的粒径尺寸较其形貌对所制备样品的电化学性能影响更大，并对其原因进行了分析。另一方面，将自制纳米α-Fe2O3制备为电极，考察其在锂离子电池负极材料方面的应用。结果表明：纳米α-Fe2O3的形貌对其作为负极时的储锂性能影响更为明显，球形纳米氧化铁的电化学性能相对较好，0.1 C倍率下的首次可逆放电比容量高达1093 mAh g-1，循环50圈后的容量保持率为47.3%。最后，针对氧化铁负极材料循环稳定性较差的缺陷进行了改性研究，设计并制备了α-Fe2O3/N-GNS/CNTs三维复合材料。充放电测试结果显示：在0.1 A g-1电流密度下，该复合材料循环50圈后的容量保持率为97.3%，循环性能良好。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 钛白副产简介

1.3 锂离子电池简介

1.4 橄榄石型磷酸铁锂正极材料

1.5 纳米α-Fe2O3负极材料

1.6本课题的主要研究内容

第二章 原材料及实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器及设备

2.3 实验方法

第三章 钛白副产水热法制备金属离子掺杂型LiFePO4正极材料

3.1 实验部分

3.2单一铁源水热法制备LiFePO4正极材料

3.3 混合铁源水热法制备LiFePO4及其表征

3.4 最佳比例条件制备LiFePO4的原位碳包覆及其电化学性能

3.5 本章小结

第四章 钛白副产精制、沉淀法制备纳米FePO4及其应用研究

4.1钛白副产除杂及转化

4.2 最佳反应条件下的除杂效果

4.3 本章小结

第五章 钛白副产精制、水热法制备纳米α-Fe2O3及其应用研究

5.1 钛白副产的除杂及转化

5.2纳米α-Fe2O3的水热法制备

5.3纳米α-Fe2O3在锂离子电池中的应用研究

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文