纳米FePO4·2H2O前驱体及球形LiFePO4/C正极材料的制备与表征

摘要

锂离子电池正极材料磷酸铁锂具有其能量密度高、成本低廉、无毒、安全性能高、优秀热稳定性和良好的充放电性能等诸多优点，它还拥有3.4V适中的平稳放电平台和170mAh/g的理论比容量。磷酸铁锂的合成条件和电化学特征主要取决于前驱体，一个好的前驱体能够为磷酸铁锂材料提供更优秀的电化学性能。磷酸铁具有稳定的结构、成本较低、安全性能高、环境友好等诸多优点，最主要的是磷酸铁和磷酸铁锂的晶体结构相似、晶胞参数也相近，选择磷酸铁作为前驱体，制备磷酸铁锂正极材料，可以有效的控制磷酸铁锂的粒径大小等因素，因此磷酸铁是锂离子电池正极材料磷酸铁锂的理想前驱体。
　　本文采用七水合硫酸亚铁和磷酸为起始反应物，在添加氧化剂双氧水前后，两次调节反应溶液的pH值，制备出含有结晶水的白色磷酸铁粉末材料。利用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、热重分析、红外光谱和拉曼光谱对不同pH值的反应体系下生成的磷酸铁材料在结构和形貌等方面进行分析。结果表明:在使用双氧水氧化反应溶液中的二价铁离子之前和全部氧化为三价铁离子之后，使用低浓度的NaOH溶液将反应体系中的pH值都调节到2.0处，本方法可在不加入任何添加剂的条件下，制备出粒径分布均匀的一次颗粒团聚成的类球状形貌二水磷酸铁产品。最终制得二水磷酸铁的最高振实密度可达到1.22g/cm3。再将二水磷酸铁置于500℃的高温环境中加热4小时脱去所含结晶水，以蒸馏水为介质，与碳酸锂和蔗糖湿混合置于行星式球磨机中球磨，在惰性气体保护下高温700℃煅烧12h制备磷酸铁锂正极材料，同时研究发现蔗糖的用量能够对磷酸铁锂的形貌产生一定的影响。最终选择的实验条件为:无水磷酸铁、碳酸锂和蔗糖按照物质的量之比为1∶0.52∶0.1的比例混合后制备的球状磷酸铁锂，并且导电碳膜能够均匀的包覆在磷酸铁锂颗粒的表面，振实密度可以达到1.32g/cm3。选择常用的电化学循环伏安法对合成的磷酸铁锂材料性能进行测试研究，并在1mV/s的扫描速度下，通过对比磷酸铁锂在一水氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂和一水硫酸锂四种不同锂盐电解液中的循环伏安曲线，最终选择一水硫酸锂作为循环伏安测试的电解水溶液，结果表明:随着扫描速度的减小，磷酸铁锂材料的电化学可逆性逐渐增高，材料在低扫速下更具有优异的可逆性能。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 LiFePO4正极材料的发展历程与研究

1．2．1 材料简介

1．2．2 结构

1．2．3 电化学反应性能及模型

1．3 磷酸铁锂的主要制备方法

1．3．1 固相法

1．3．2 碳热还原法

1．3．3 水热法

1．3．4 溶胶凝胶法

1．3．5 模板法

1．3．6 其他合成方法

1．4 磷酸铁锂的改性

1．4．1 碳包覆方法

1．4．2 掺杂方法

1．5 磷酸铁锂的在水溶液中的电化学性能

1．6 磷酸铁的研究

1．6．1 简介

1．6．2 磷酸铁的合成方法

1．6．3 磷酸铁的应用

1．7 选题依据及主要研究内容

第二章 实验方法和仪器

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器设备

2．3 材料准备

2．3．1 前驱体FePO4·2H2O的制备

2．3．2 LiFePO4／C复合材料的合成

2．4 表征技术

2．4．1 结构(XRD)分析

2．4．2 形貌分析

2．4．3 热重(TG-DTA)分析

2．4．4 红外和拉曼光谱分析

2．4．5 磷酸铁锂的电化学性能测试

第三章 球状前驱体磷酸铁的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 实验方法的选择

3．3．2 pH(1)值的不同对合成磷酸铁的影响

3．3．3 结晶水含量的测定

3．3．4 晶格动力学

3．4 本章小结

第四章 磷酸铁锂材料的合成

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 不同球磨方法对磷酸铁锂形貌的影响

4．2．2 不同碳含量对磷酸铁锂形貌的影响

4．3 LiFePO4／C材料的表征分析

4．3．1 物相分析

4．3．2 形貌分析

4．3．3 红外和拉曼分析

4．4 本章小结

第五章 LiFePO4／C复合材料的电化学性能

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 电解质锂盐的选择

5．2．2 不同球磨方法的CV对比

5．2．3 不同蔗糖含量的CV对比

5．2．4 锂离子的扩散系数

5．3 本章小结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果

声明