溶胶-凝胶法制备锂离子电池Li2FeSiO4正极材料的研究

摘要

硅酸亚铁锂(Li2FeSiO4)是一种具有聚阴离子型结构的新型正极材料,由于分子式中有两个Li+，其理论容量高达332mAh/g,因此Li2FeSiO4被认为是一种极具潜力的锂电池正极材料。然而大量研究表明Li2FeSiO4正极材料的实际容量性能非常有限。主要原因之一是在制备过程中极易产生诸如Li2SiO3和Fe等杂质相，既严重影响了电化学性能，又对Li2FeSiO4晶体结构的解析和本征性质的改善造成了困难。针对以上问题，本课题研究了利用溶胶-凝胶技术制备高纯Li2FeSiO4材料的方法与机理。针对Li2FeSiO4制备过程中引起杂质产生的相分离和Fe离子价态多变性两个根本问题，首先从溶胶凝胶原理入手，设计溶剂体系并研究了在TEOS、水、乙醇三相混溶区、混溶边界以及非混溶区的不同方案的凝胶效果，优化了凝胶方案和胶体均匀度。然后设计了空气中低温预烧获得残余碳，结合在Ar气中高温还原制备Li2FeSiO4的烧结路线。通过热失重实验分析确定了400℃为产生残余碳的最佳预烧温度，并利用XRD和拉曼测试获得了预烧产物的基本组成和残余碳的还原能力。以此为基础，对获得的各种预烧前驱体在Ar气中不同温度下进行烧结，分析了产物中杂质的类型和变化规律。对优选的烧结方案，利用Rietveld全谱拟合方法分析了其产物纯度和Li2FeSiO4的晶体结构，并利用SEM观察了颗粒形貌和尺寸。通过全面分析，获得了溶剂体系和烧结条件对Li2FeSiO4纯度和颗粒尺寸分布的影响规律，即在混溶区凝胶最终烧结后获得产物的纯度最高(＞98.3％)，在非混溶区凝胶后烧结的产物纯度最低(88.7％);在混溶区和混溶区边界凝胶后烧结的产物，其颗粒尺寸分布较为均匀并且随烧结温度升高显著增大，而在非混溶区凝胶后烧结的产物颗粒尺寸分布不均匀(0.2-0.8μm)。最后，对各种优选方案制备的高纯产物进行了电池组装和不同温度下的电化学性能测试，结果表明产物的实际容量性能与其纯度成正比，升高测试温度能有效提高锂离子脱嵌的可逆性和实际容量;纯度最高的产物首周放电容量可达171.05mAh/g，实现了多于一个锂离子的可逆脱嵌。

目录

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摘要

第一章 Li2FeSiO4正极材料的研究背景及意义

1．1 引言

1．2 锂离子电池

1．3 常见正极材料简介

1．4 Li2FeSiO4正极材料

1．5 溶胶凝胶法制备Li2FeSiO4

1．6 本论文主要研究内容

第二章 实验材料与研究方法

2．1 实验中的主要化学药品及材料

2．2 实验设备

2．3 烧结方法和设备

2．4 材料表征方法

2．5 电池制备及电化学性能测试

第三章 溶胶凝胶过程对胶体质量的影响

3．1 胶体均匀性对纯相合成的意义及其影响因素

3．2 A方案-深入混溶区的溶胶凝胶效果

3．4 C方案-非混溶区的溶胶凝胶效果

3．5 本章小结

第四章 胶体与烧结过程对产物物相的影响

4．1 烧结过程反应机理

4．2 预烧过程设计与预烧产物表征

4．3 凝胶方案与烧结条件对产物物相的影响

4．4 非优选凝胶条件烧结后产物的物相对比

4．5 本章小结

第五章 高纯产物表征与电池电化学性能研究

5．1 产物颗粒形貌表征

5．2 高纯产物纯度与晶体结构分析

5．3 电化学性能测试与分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历及论文发表情况