锂离子电池电极材料石墨烯以及磷酸铁锂的制备与电化学性能研究

摘要

锂离子电池由于具有快速充放，无记忆效应以及高容量等优势，已经成为新能源发展主要的方向。磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料，由于原料来源广泛，对环境友好，使用安全等诸多优点逐渐成为动力型锂离子电池的主要材料。但是磷酸铁锂因为自身较低的电导率与能量密度限制了其在锂离子电池中的大规模应用，因此对磷酸铁锂进行改性使其具有优秀的倍率性能与循环性能成为本文研究的主要内容。本文主要的研究内容包括石墨烯(GS)与磷酸铁锂的制备，并以碳和石墨烯两种不同类型的碳源对其进行改性，优化制备出性能优越的磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料。　　在石墨烯的制备过程中，本文首次采用一种在室温环境下，以LiAlH4与PBr3作为双重还原剂还原氧化石墨来快速制备石墨烯的方法。结果表明所制备的石墨烯层数较少，约为三层左右。作为负极材料应用于锂半电池，在电流密度为100mA/g下，首次充放电比容量分别为1029.4，855.1mAh/g，库伦效率可以达到83.1％。经过21次循环后，可逆放电比容量仍然可以达到760.7mAh/g，显示出了优秀的循环稳定性能。　　在LiFePO4前驱体的制备过程中，本文分别采用溶胶-凝胶、溶剂热两种方法。研究发现采用溶剂热法制备的LiFePO4/C样品具有非常优秀的微观形貌与电化学性能，并对反应时间、反应温度以及碳含量进行了详细的考察。结果表明在130℃反应5h，葡萄糖加入量为15%时制备的样品具有较好的结晶度与分散性。在0.2，0.5，1，3C倍率下，放电比容量分别为159.4，155.6，151.9，141.9mAh/g，具有非常优秀的倍率性能。在5，10，20，30C倍率下循环100次，容量保持率分别为97.0%，99.6%，97.1%，95.6%，显示出优秀的循环稳定性能。　　在LiFePO4/GS复合电极材料的制备过程中，主要研究了石墨烯的加入量对复合材料形貌与电化学性能的影响。研究发现在制备 LiFePO4/GS复合材料过程中，石墨烯加入量过少会导致晶体具有较大颗粒；石墨烯加入量过多会在LiFePO4颗粒表面包裹较厚的石墨烯层，导致电化学性能下降。结果表明当石墨烯加入量为5%时制备的LiFePO4/GS样品表现最佳，晶体颗粒大小约为100nm，在LiFePO4表面所包裹的石墨烯层数约为4~5层。在0.2，0.5，1，5C倍率下，放电比容量分别为154.4，150.5，145.9，124.3mAh/g；在5C倍率下循环200次容量保持率为99.1%，说明复合材料具有非常好的倍率性能与循环寿命。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.3 锂离子电池

1.4 锂离子电池正极材料的研究现状

1.5 石墨烯的研究进展

1.6 本论文选题背景与主要研究内容

第二章 实验与表征

2.1 实验药品

2.2 实验仪器

2.3 实验电极制备与电池装配

2.4 表征与分析

第三章 石墨烯的制备与电化学性能研究

3.1 氧化石墨的制备

3.2 H2N-NH2·2H2O还原法制备石墨烯

3.3 低温热膨胀法制备石墨烯

3.4 化学还原法制备石墨烯

3.5 本章小结

第四章 LiFePO4/C正极材料的制备与性能研究

4.1 溶胶-凝胶法制备LiFePO4/C

4.2 溶剂热法制备LiFePO4/C

4.3 本章小结

第五章LiFePO4/GS复合正极材料的制备与性能研究

5.1 LiFePO4/GS复合材料的制备

5.2 LiFePO4/GS复合材料的表征

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间论文发表情况

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