过渡金属硼酸盐锂离子二次电池电极材料的制备及性能

摘要

锂离子二次电池因具有循环使用寿命长、安全性高、无记忆效应、体积小、比能量高等优点而备受关注。自1997年Goodenough课题组发现了聚阴离子结构的LiFePO4材料可应用于锂离子二次电池正极材料后，科研工作者就掀起了研究此类材料的热潮。聚阴离子结构具有开放性的三维框架结构，当锂离子在正极材料中嵌脱时，材料的结构重排很小，结构能保持良好的稳定性。同时，体积较大的阴离子为锂离子的迁移提供了更大的三维空间;其次，此类材料具有灵活可控的充放电电位。过渡金属硼酸盐中B具有比P电负性更低，原子量更小，储量丰富等优点。LiMBO3具有更高的能量密度，更小的体积变化等优点，所以本论文的工作研究重点是LiMnBO3材料控制合成及其电化学性能研究。此外，通过固相合成法得到了Fe3BO6材料，并研究了其电化学性能。本论文的主要研究内容是:
　　 1.在对硼酸盐材料的结构、合成方法、性能应用等研究现状进行充分调研的基础上，主要采用固相合成法，制备了LiMnBO3/C复合材料，并通过调节温度实现了物相的可控合成。同时，通过优化反应合成温度，初步探讨了反应机理并研究了LiMnBO3/C复合材料在锂离子电池正极材料中的应用;煅烧温度设置在750℃时可以制备出h-LiMnBO3/C。这种材料保持了良好的循环稳定性，经40圈循环后，容量仍可保持86.5％(90.7mAhg-1)。单斜相LiMnBO3/C颗粒可以在500-600℃得到。在600℃制备得到的m-LiMnBO3/C颗粒的最初放电比容量为107mAhg-1。即使当电流密度升至22mAg-1，仍有74.4mAhg-1的放电容量可以得到。以上实验结果证实可以经传统的简便的碳热还原方法实现LiMnBO3/C物相的可控合成。并且获得的材料具有良好的电化学活性，是有良好发展前景的锂离子电池正极材料。
　　 2.采用溶剂热法，在700℃合成Fe3BO6和石墨烯的核壳结构的纳米棒。若经后续的煅烧，可获得纯相的Fe3BO6纳米棒，并在0.01-3.0V的电压范围下研究其电化学性能。本工作中所获得的Fe3BO6主要由纳米棒组成。此材料具有良好的循环稳定性。100个循环后，Li/Fe3BO6电池的放电容量可维持在873mAhg-1，即使当电流密度升至1000mAg-1时，其放电容量仍可达550mAhg-1。上述结构表明这种材料具有良好的循环稳定性和倍率性能。同时也可看出该材料在快充储能材料中具有较好地发展前景。此外，这种制备核壳结构的方法也可应用于那些对外部环境比较敏感的材料的制备或者需要在充放电过中减小体积效应的材料的制备中。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 硼酸盐材料概述

1．1．1 过渡金属硼酸盐材料的结构特点

1．1．2 过渡金属硼酸盐材料的研究现状与进展

1．1．3 过渡金属硼酸盐材料的主要制备方法

1．2 过渡金属硼酸盐材料在锂离子电池中的应用

1．2．1 锂离子电池概述

1．2．2 锂离子电池正极材料的发展

1．2．3 LiMnBO3材料在锂离子电池中的应用

1．2．4 锂离子电池负极材料的发展

1．2．5 Fe3BO6材料在锂离子电池中的应用

1．3 本论文的研究内容及主要创新点

参考文献

第二章 LiMnBO3材料的制备及其电化学性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验过程

2．2．2 样品表征

2．2．3 电化学测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 产物物相与结构表征

2．3．2 样品形貌表征

2．3．3 样品的拉曼测试

2．3．4 对比试验

2．3．5 电化学性能测试

2．3．6 交流阻抗测试

2．3．7 充放电机理的初步探究

2．3．8 性能对比

2．4 本章小结

参考文献

第三章 Fe3BO6材料的制备及其电化学性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验过程

3．2．2 样品表征

3．2．3 电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 产物物相与结构表征

3．3．2 样品的拉曼测试

3．3．3 样品的形貌表征

3．3．4 循环伏安测试

3．3．5 电池性能探究

3．3．6 比表面积测试

3．3．7 含碳量的测试

3．3．8 交流阻抗测试

3．4 本章小结

参考文献

致谢

攻读硕期间发表和待发表的论文及成果