混合溶剂热法控制合成锂离子电池正极材料LiFePO4

摘要

水/溶剂热法是合成制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂(LiFePO4)最常用的方法,由于单一溶剂具有的自身缺陷使其在应用发展时受到了一定的限制。而水-有机溶剂的混合溶剂热法则是在水/溶剂热法的基础上,充分利用水和有机溶剂各自的理化性质发展起来的有效方法。
　　本文中我们选取了乙二醇(EG)、三乙醇胺(TEA)和N-N二甲基乙酰胺(DMF)等三种有机溶剂,和水(H2O)组成二元或三元混合溶剂来控制合成LiFePO4正极材料,并成功地获得了结构形貌规则和颗粒分散均匀的样品材料。然后,通过X射线衍射( XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、场发射透射电子显微镜(FETEM)和电化学性能测试等手段,对获得的样品活性材料进行了表征和测试。
　　结果表明:制备得到的LiFePO4样品材料具有类球形颗粒状、长方块状和立方块状等晶体形貌,其中颗粒状结构的晶体粒径约为500 nm;长方块状结构的晶体材料长约1.5μm、厚约300 nm;而立方块状的晶体尺寸大小最小,约为100 nm。另外,分别以H2O-EG和H2O-DMF为混合溶液,考察了表面活性剂、混合溶剂体积比和溶液pH值等因素,对采用混合溶剂热法控制合成得到的LiFePO4正极材料的结构形貌以及电化学性能的影响。在H2O和EG的混合体系中,添加少量的阴离子表面活性剂,保持两者的体积比V(H2O)/V(EG)为1:1~1:3时,有利于获得最佳结构形貌和电化学性能的LiFePO4晶体材料;在H2O和DMF的混合体系中,当混合溶液的pH值保持在8~9的范围时则能够获得性能良好的样品材料。
　　随后,我们对获得的纯相 LiFePO4样品材料进行了碳包覆掺杂改性处理的研究。经过表面碳包覆掺杂处理后获得的样品材料,因其导电性和离子传导率的增强,比未作处理的纯相 LiFePO4材料的电化学性能有了显著地提高。其中由H2O-TEA-DMF三元混合溶剂热法控制合成得到的LiFePO4正极材料经改性处理后的电化学性能最优,其在0.1 C倍率下的首次充放电比容量达到151.13 mA·h/g。在H2O-DMF混合溶剂体系下,通过改变掺杂方式来探究不同掺杂方法对混合溶剂热法控制合成LiFePO4正极材料的性能影响,结果显示,分别采用两步法和一步法得到的LiFePO4晶体材料在0.1C倍率下的首次充电比容量分别为135.1 mA·h/g和148.27 mA·h/g。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2锂离子电池的发展概况

1.3锂离子电池的结构和工作原理

1.4锂离子电池的电极材料

1.5 LiFePO4的结构和电化学性能

1.6 LiFePO4的制备方法

1.7 LiFePO4的改性研究

1.8本论文的主要研究内容及意义

第二章 实验部分

2.1 实验方法及制备过程

2.2主要试剂及仪器

2.3样品材料表征

2.4 柱式电池的组装

2.5 电化学性能测试

第三章 不同混合溶剂热法制备LiFePO4

3.1引言

3.2 水热法合成制备LiFePO4

3.4 三元混合溶剂热法制备LiFePO4正极材料

3.5 本章小结

第四章 混合溶剂热法对LiFePO4形貌及性能的影响

4.1 引言

4.2 表面活性剂的影响

4.3混合溶剂体积比的影响

4.4 pH值的影响

4.5 本章小结

第五章 锂离子电池正极材料LiFePO4的改性研究

5.1 前言

5.2 LiFePO4的表面炭包覆改性

5.3不同碳包覆方式对LiFePO4性能的影响

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动和成果情况