混合铁源制备LiFePO4/C复合正极材料研究

摘要

近年来锂离子电池正极材料磷酸铁锂的研究重点放在降低工业化成本、提高材料性能等方面。采用高温固相法制备LiFePO4/C复合正极材料时,铁源的选择对材料的性能有很大影响。FeC2O4·2H2O中含Fe2+,制备材料时不需要还原剂,碳包覆后性能较好,但成本较高,反应放出大量气体,会导致材料密度偏小,不适合工业化生产。FePO4为铁源制备的磷酸铁锂密度较大,性能较好,但FePO4不仅价格较高,而且更重要的是FePO4中只含有Fe3+,制备时需要大量的还原剂。所以,采用FeC2O4·2H2O和Fe2O3或者FePO4作为混合铁源制备LiFePO4/C复合正极材料,用以克服二价铁源或三价铁源单独作为铁源的不足。
　　本论文主要是选取混合铁源制备LiFePO4/C复合正极材料,重点考察了不同的铁源组合、煅烧温度和碳包覆量等合成工艺对合成的LiFePO4/C复合正极材料性能的影响。并通过热重分析(TG),扫描电子显微镜(SEM)分析,X射线衍射(XRD)分析,充放电测试、循环伏安等手段分别对合成材料微观形貌、晶体结构和电化学性能进行表征和测试。
　　采用FeC2O4·2H2O和Fe2O3作为混合铁源,碳热还原法合成了LiFePO4/C复合正极材料,考察了FeC2O4·2H2O和Fe2O3的比例、煅烧温度和碳包覆量等合成工艺。实验结果表明FeC2O4·2H2O:Fe2O3=1:2作为混合铁源,350℃预烧5h,710℃煅烧12h合成的材料经过SEM和XRD表征,材料颗粒大小均匀,没有明显的团聚现象,同时碳包覆效果十分明显,材料的主衍射峰尖锐且狭窄。进行充放电测试表明材料具有较好的放电比容量和循环性能。在0.2C倍率和室温下合成材料的可逆放电比容量达到142.8mAh/g,且循环性能良好,充放电循环20次后,容量保持率为99.57％。
　　采用FeC2O4·2H2O:FePO4=1:1作为混合铁源,碳热还原法合成了复合正极材料LiFePO4/C。实验结果表明350℃预烧5h,然后再升温700℃煅烧12h得到的材料,经过SEM和XRD表征结果表明材料颗粒尺寸较为均匀,没有明显的团聚现象,对主衍射峰进行研究发现,5％碳包覆量的条件下,材料颗粒尺寸最小,这说明碳包覆可以抑制材料晶粒的生长。进行充放电测试表明材料具有较好的放电比容量和循环性能。在0.2C倍率和室温下合成材料的可逆放电比容量达到154.9mAh/g,且循环性能良好,充放电循环20次后,放电比容量是165.9mAh/g,容量保持率高达107.1％。同时考察了材料的倍率性能,在1C和2C倍率下,合成的材料首次放电比容量是138.2mAh/g和135.3mAh/g;充放电循环20次后,放电比容量有所提高,分别达到148.6mAh/g和141.9mAh/g,容量保持率分别为107.5％和104.9％。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池的发展

1.3 锂离子电池的工作原理

1.4锂离子电池正极材料

1.5 正极材料磷酸亚铁锂（LiFePO4）

1.6 本论文的选题意义和研究内容

第二章 实验原料设备及测试表征方法

2.1 实验原料与仪器设备

2.2 材料表征分析方法

2.3 材料电化学性能测试

2.4 材料理论比容量的计算

第三章 以FeC2O4 ·2H2O和Fe2O3为混合铁源制备LiFePO4/C

3.1引言

3.2 材料制备的实验方案及工艺流程

3.3 FeC2O4 ·2H2O和Fe2O3不同比例对材料性能的影响

3.4不同煅烧温度对材料性能的影响

3.5碳包覆量对材料性能的影响

3.6 小结

第四章 以FeC2O4 ·2H2O和FePO4或FeC2O4 ·2H2O、Fe2O3和

4.1引言

4.2 煅烧步骤及温度的确定

4.3 材料制备流程

4.4 不同煅烧温度对合成材料性能的影响

4.5 不同碳包覆量对合成材料性能的影响

4.6 FeC2O4 ·2H2O、Fe2O3和FePO4作为混合铁源制备LiFePO4/C

4.7 小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果