纳米碳/磷酸铁锂复合材料的原位合成及其在锂离子电池中的应用

摘要

磷酸铁锂以其高理论容量、稳定放电平台、高循环性能、环境友好无毒性等特点已成为锂离子电池的新型正极材料。通常使用碳包覆等改性工艺来提高磷酸铁锂的低电子/离子传导速率,但包覆碳材料与磷酸铁锂的结合界面一直有待改善。因此,制备良好界面结合的纳米碳/磷酸铁锂复合材料成为近年的研究热点。
　　本文通过化学气相沉积法、机械掺杂法以及溶剂热法合成了纳米碳/磷酸铁锂复合材料,利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析了其形貌结构;研究了反应条件对合成的纳米复合材料形貌结构的影响,采用电池测试系统对锂离子电池的电化学性能进行了测试分析。
　　研究结果表明:(1)采用化学气相沉积法在磷酸铁锂上原位合成纳米碳的过程中,随催化剂含量增加,管状纳米碳产物产量下降,产物分布均一性降低;随生长温度升高和反应气体比例下降原位合成产物呈现从碳纤维向碳纳米管过渡的趋势。化学气相沉积法原位合成纳米碳/磷酸铁锂复合材料的最佳工艺为:催化剂含量为0.5wt％Co,生长温度为690°C,反应气体比例为7:350(ml/min)。此时产物趋于鱼骨状碳纳米管与直管状碳纳米管之间,管径20~30nm,石墨层间距~0.34nm。(2)在溶剂热法合成过程中,纳米碳材料(碳纳米管、石墨烯)的添加量会对纳米碳/磷酸铁锂复合材料的形貌结构产生影响。添加较少或较多的纳米碳材料均会发生团聚,对纳米碳/磷酸铁锂复合材料的均一性产生负面影响。每制备0.5g复合材料添加20mg纳米碳材料时,较适宜复合材料的合成,此时合成产物中有石墨烯/磷酸铁锂三明治状层叠结构(或碳纳米管/磷酸铁锂同轴管结构)形成。(3)与机械掺杂法及溶剂热法合成的纳米碳/磷酸铁锂复合材料相比,化学气相沉积法原位合成的复合材料各项电化学性能均较为优异,其首次放电容量为160.1mAhg-1;1C电流密度下循环100次后放电容量144.8mAhg-1,保持率100%;10C下循环20次后容量为97.2mAhg-1,保持率94.5%;并具有最小的电极极化和电池阻抗。

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第一章 绪论

1.1前言

1.2锂离子电池简介

1.3磷酸铁锂正极材料

1.4碳纳米材料在锂离子电池中的应用

1.5本论文工作的意义及主要研究内容

第二章 实验材料、仪器及分析方法

2.1实验原料

2.2纳米碳/磷酸铁锂复合材料的制备工艺

2.3材料检测分析仪器及设备

第三章 化学气相沉积法原位合成纳米碳/磷酸铁锂及其电化学性能

3.1催化剂含量对产物产量和形貌的影响

3.2反应温度对产物形貌和产量的影响

3.3反应气体比例对产物形貌和产量的影响

3.4机械掺杂法制备纳米碳/磷酸铁锂复合材料

3.5不同方法制备纳米碳/磷酸铁锂复合材料之间的对比

3.6本章小结

第四章 溶剂热法原位合成纳米碳/磷酸铁锂及其电化学性能

4.1溶剂热法合成磷酸铁锂及性能研究

4.2溶剂热法原位合成纳米碳/磷酸铁锂复合材料及性能研究

4.3不同方法合成纳米碳/磷酸铁锂复合材料间电化学性能对比

4.4本章小结

第五章 全文结论和创新点

5.1全文结论

5.2工作创新点

5.3本工作发展建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢