氮掺杂碳包覆Li2FeSiO4纳米复合材料的制备及储锂性能研究

摘要

聚阴离子型Li2FeSiO4材料具有理论比容量高、循环稳定性良好等优点，是一种有前途的锂离子电池正极材料。然而，较低的电子传导率和较差的锂离子迁移速率限制硅酸亚铁锂的发展。碳包覆可改善电极材料的性能，对碳包覆层进行N掺杂，不仅能够显著提高碳层的表观电导率，还能够破坏碳网络结构，在碳层中产生大量的缺陷和空位，形成Li+通道，进而提高Li+的迁移速率。本论文采用不同的氮源和碳源，合成了氮掺杂碳包覆的Li2FeSiO4电极材料，进而改善Li2FeSiO4正极材料的电化学性能。研究成果如下: 1.采用溶胶凝胶法，分别以酒石酸和尿素为碳源和氮源，制备了氮掺杂碳包覆修饰的Li2FeSiO4@N-C纳米复合材料。借助溶胶凝胶理论，调节尿素的添加量以优化反应体系的pH值，有效的减小了Li2FeSiO4的颗粒尺寸。N掺杂碳包覆层显著提高了材料的电导率，颗粒尺寸减小明显提高了材料的锂离子迁移速率，使Li2FeSiO4@N-C的电化学性能得到显著提高。颗粒最小的样品LFS@N-C1表现出较高的容量、良好的循环稳定性和倍率性能，在0.2 C下首圈放电比容量为238.5 mAh/g，实现了1.44个锂离子的脱嵌。在0.5C充放电100圈循环，容量维持在220 mAh/g左右，没有明显衰减。 2.米用溶胶凝胶法，以酒石酸和双氰胺为碳源和氮源，制备了氮掺杂碳包覆改性Li2FeSiO4纳米复合材料。对碳包覆层N掺杂后，Li2FeSiO4-N纳米复合的电化学性能得到了显著地提高，尤其是材料的倍率性能和循环稳定性。在倍率为0.5 C时，LFS-N2首圈的放电比容量为252.2 mAhg-1，100次循环后的放电比容量仍然维持在243.9 mAhg-1，容量保持率高达96.7％。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2锂离子电池的结构与工作原理

1．3锂离子电池正极材料的研究进展

1．3．1钴酸锂

1．3．2镍酸锂

1．3．3尖晶石型锰酸锂

1．3．4磷酸铁锂

1．4硅酸亚铁锂正极材料

1．4．1 Li2FeSiO4结构特点以及锂脱嵌机理

1．4．2 Li2FeSiO4的制备方法

1．5 Li2FeSiO4的改性研究

1．5．1导电碳材料复合

1．5．2离子掺杂

1．6本论文的研究目的和意义

1．7论文研究内容

第二章实验部分

2．1实验仪器和试剂药品

2．1．1实验仪器

2．1．2实验试剂药品

2．2材料性能表征

2．2．1材料的物相结构分析

2．2．2形貌表征

2．2．3其他表征测试

2．3电化学性能测试

2．3．1电极材料的制备

2．3．2电化学性能测试方法

第三章以尿素为氮源制备氮掺杂碳包覆Li2FeSiO4@N-C正极材料

3．1前言

3．2实验制备过程

3．3结果与讨论

3．3．1材料的结构及微观形貌分析

3．3．2 TEM和HRTEM表征

3．3．3 BET表征

3．3．4拉曼表征

3．3．5 XPS表征

3．3．6电化学性能分析

3．4本章小结

第四章以双氰胺为氮源制备氮掺杂碳包覆Li2FeSiOa-N电极材料及其电化学性能研究

4．1引言

4．2实验制备过程

4．3结果与讨论

4．3．1材料的结构及微观形貌分析

4．3．2电化学性能分析

4．4改变碳源的添加量和氮源、碳源的摩尔比

4．4．1材料的制备过程

4．4．2材料的结构及微观形貌分析

4．4．3 EDX能谱分析

4．4．4 BET表征

4．4．5 XPS表征

4．4．6电化学性能分析

4．5本章小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2前景与展望

参考文献

硕士期间发表论文及参与科研项目

致谢