磷酸铁锂锂离子电池正极材料的水热合成及其性能研究

摘要

LiFePO4电池是最具有应用前景的动力电池之一，由于其高的、平稳的3.4V放电平台，理论比容量大，安全性好，成本低廉和环境相容性好。本文采用水热合成法制备橄榄石结构的LiFePO4。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、恒流充放电测试和电化学阻抗测试等手段系统的分析了水热合成温度、时间、pH以及后续的烧结、碳包覆对LiFePO4晶相、形貌、颗粒尺寸和电化学性能的影响，得到如下结论：
　　1.本文采用水热合成法，120℃时已合成纯相LiFePO4，随着反应温度的增加，LiFePO4晶体的结晶度增加，晶体沿(020)晶面生长的择优取向增加，颗粒形貌由菱形转变为棒状，颗粒尺寸减小。200℃合成的LiFePO4样品，晶体沿(020)晶面生长的择优取向最大，颗粒尺寸最小，电化学性能最好。
　　2.固定水热合成温度为200℃，探究水热反应时间(3h～24h)对LiFePO4性能的影响。反应时间为3h合成的LiFePO4样品Fe2P2O7杂质含量较多，颗粒呈菱形，晶体缺陷严重。反应时间延长，Fe2P2O7杂质含量减少，LiFePO4颗粒由菱形转变为棒状。反应时间为12h时，Fe2P2O7杂质含量最少，颗粒尺寸最小，其容量、循环倍率性能最佳。
　　3.固定水热温度200℃、反应时间12h，探究反应pH(5.2～5.8)对LiFePO4性能的影响。pH=5.2时，合成的样品中有寄生的Fe2P2O7衍射峰，颗粒呈不规则菱形，颗粒尺寸比较大。反应pH升高，Fe2P2O7杂质含量减少，pH=5.8时合成纯相的LiFePO4，颗粒由菱形转变为棒状，尺寸减小。pH=5.8时合成的LiFePO4电化学性能最佳，但5C高倍率充放电时，相较于含Fe2P2O7材料容量衰减迅速。原因为Fe2P2O7相提高了Li+扩散系数，使得含有Fe2P2O7相样品高倍率充放电时优势明显。
　　4.烧结提高了LiFePO4样品的结晶度，提高了晶体沿(020)晶面的择优生长，减小了颗粒尺寸。烧结使得LiFePO4电极系统的电阻减小了1/2，Li+扩散速率提高了一个数量级，提高了LiFePO4材料的电化学性能。包碳量从1.65%wt增加至6%wt时，LiFePO4晶体沿(020)晶面择优生长的取向降低，固体电解质膜电阻Rsf增大，LiFePO4材料的电化学性能下降。碳含量为1.65%wt时样品的电化学性能最佳。

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Abstract

Contents

1 绪论

1.1 前言

1.2 锂离子电池的概述

1.3锂离子电池正极材料

1.4 LiFePO4正极材料介绍

1.5 本文研究的意义与内容

2 实验部分

2.1 实验药品与设备

2.2 工艺流程

2.3 材料的表征

2.4 材料的成分分析

2.5 材料的电化学测试

3 水热合成LiFePO4反应温度实验探究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4 水热合成LiFePO4反应时间实验探究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

5 水热合成LiFePO4反应pH值实验探究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

6.1 前言

6.2 实验部分

6.3 实验结果与讨论

6.4 本章小结

7 实验结论

参考文献

致 谢

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