电动汽车用锂离子电池正极材料LiFePO4的制备与性能研究

摘要

橄榄石型LiFePO4因其具有可逆的锂离子嵌入/脱出特性，其具有高理论容量(170 mAh/g)、高的电压平台，丰富的原料来源，低成本和环境友好等优点，被广泛用于电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)和大型储能锂离子电池。然而，由于LiFePO4的晶体结构的限制，导致电子传导性和锂离子扩散速率降低，使得其比容量和倍率性能较差。大量研究表明可以通过减少粒径，碳包覆和阳离子掺杂等改善这些缺点。为了提高LiFePO4综合电化学性能，本论文主要做了以下工作：
　　1.采用两步固相法合成Nano-LiFePO4正极材料。首先，以CH3COOLi?2H2O， FeC2O4?2H2O和NH4H2PO4为原料，采用室温固相法合成前驱体，然后将前驱体高温煅烧得到Nano-LiFePO4正极材料。使用TG-DSC、XRD、SEM、CV、EIS以及充放电测试研究了煅烧温度对其结构和电化学性能的影响；得到颗粒尺寸在30-200 nm的球形LiFePO4正极材料，当合成温度为700℃时得到的材料具有最好的电化学性能。0.2 C首次放电容量为155 mAh/g，10 C倍率下放电仍有92 mAh/g，1 C循环100圈后有96%的容量。在整个合成过程中没有添加任何溶剂和碳源，有望在Nano-LiFePO4正极材料工业化生产中得到应用。
　　2.以CH3COOLi?2H2O、FeC2O4?2H2O、NH4VO3和NH4H2PO4为原料，采用两步固相法制备出LiFePO4·xLi3V2(PO4)3(LFP·xLVP, x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)复合正极材料。通过XRD、SEM、CV、EIS以及充放电测试对其晶体结构、形貌和电化学性能进行表征。结果显示，表面光滑球形LiFePO4材料经过复合之后球形颗粒表面变得粗糙；这种两相复合材料比纯相LiFePO4表现出更优异的电化学性能，LFP?0.1LVP复合材料在0.2 C放电时具有最高的比容量154 mAh/g，经过5次循环后，1 C和10 C放电时比未复合的LiFePO4容量分别提高13%和8%，并且在1 C循环100圈后仍有99.8%的容量，循环性能和倍率性能都得到了提升。整个制备工艺无溶剂添加，操作简单，节能环保。
　　3.采用两步固相法制备出LiFePO4/RGO复合正极材料。通过XRD、SEM、CV、EIS以及充放电测试对其晶体结构、形貌和电化学性能进行表征。结果显示，石墨烯的加入没有改变LiFePO4的晶体结构，有效地控制了颗粒生长，减小了颗粒尺寸。LiFePO4/RGO复合正极材料表现出优异倍率性能，10 C时具有111 mAh/g的比容量，比LiFePO4正极材料提高了14.4%；经过100次循环后容量没有衰减表现出了优异的循环性能。通过石墨烯与LiFePO4正极材料的复合来改善其电化学性能有望成为LiFePO4正极材料应用于动力电池的一项突破。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2锂离子电池简介

1.3 锂离子电池正极材料的发展

1.4 LiFePO4正极材料的合成方法

1.5 LiFePO4正极材料存在的缺陷和改性方法

1.6 本课题的主要研究内容

第二章 实验原理与方法

2.1 实验原料与仪器

2.2 极片的制备与电池的组装

2.3 材料的性能表征和电化学性能测试

第三章 两步固相法制备Nano-LiFePO4正极材料

3.1 引言

3.2实验方法

3.3 结果分析与讨论

3.4 小结

第四章 LiFePO4?xLi3V2(PO4)3复合正极材料的制备与表征

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第五章 LiFePO4/RGO复合正极材料的制备与性能研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.4 小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的科研成果

致谢

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