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锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成及性能研究

作　者: 张亚利
导　师: 高立军
学　校: 南昌大学
专　业: 物理化学
关键词: 锂离子电池 正极材料 LiFePO4 固相法合成 改性研究
分类号: O614.111
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


橄榄石型的LiFePO4因具有比容量高、原料资源丰富、安全性好和环境友好等优点，被认为是最有应用潜力的新型锂离子电池正极材料。但是LiFePO4的电子电导率和锂离子传导率均较低，使其在高倍率充放电时容量偏低。因此为了推动这种材料的广泛应用必须对其进行改性研究，提高它的电子电导率和锂离子扩散能力。采用高温固相法，考察了合成过程中焙烧温度和焙烧时间对材料电化学性能的影响。研究表明，在600℃焙烧20h合成材料的电化学性能最好。利用金属铜对LiFePO4进行了表面修饰。非电解沉积法合成了LiFePO4／Cu复合正极材料。该材料具有比纯相LiFePO4更好的电化学性能。以0.1C倍率充放电，首次放电比容量可达139 mAh／g；以1.0C倍率充放电，在第40次循环过程中的放电比容量也有99mAh／g。利用碳对LiFePO4进行了表面修饰。以葡萄糖作为碳源，合成了LiFePO4／C复合正极材料。结果表明：引入碳元素后，材料仍然保持标准的橄榄石型LiFePO4的晶体结构；随着碳含量的增加，材料的电化学阻抗明显减小；其放电比容量、循环性能及大倍率充放电能力得到了显著改善。样品（d）的在0.C倍率下的放电比容量达140mAh／g。对LiFePO4进行了较为详细的镍离子铁位掺杂改性研究。结果表明，在所掺杂的范围内，材料均保持着橄榄石型LiFePO4的晶体结构。其充放电比容量均比未掺杂时明显提高。当掺杂量为0.05摩尔比时，材料具有最高的充放电比容量和最好循环性能，0.1C倍率下的放电比容量为131 mAh／g。对固相法进行了改性，在高温焙烧阶段采用真空气氛合成LiFePO4材料。实验结果表明，真空气氛下合成了单一的橄榄石型的LiFePO4，其电荷转移阻抗比氮气气氛下合成的LiFePO4低，电化学性能优于氮气气氛下合成的LiFePO4。以0.1C倍率充放电，首次放电比容量可达131mAh／g，即使以1.0C倍率充放电，首次放电比容量也达107 mAh／g。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章 文献综述  9-27
  1.1 概述  9
  1.2 锂离子电池的发展历史  9-10
  1.3 锂离子电池的组成与工作原理  10-11
  1.4 锂离子电池正极材料的研究进展  11-26
    1.4.1 锂离子电池正极材料的选择原则  12
    1.4.2 锂钴氧化物  12-14
    1.4.3 锂镍氧化物  14-16
    1.4.4 锂锰氧化物  16-17
    1.4.5 锂钒氧化物  17-18
    1.4.6 橄榄石型磷酸铁锂化合物  18-26
  1.5 本论文的主要研究目的和内容  26
  1.6 本论文的创新之处  26-27
第2章 实验药品与设备及方法  27-32
  2.1 主要化学试剂  27
  2.2 主要实验设备  27-28
  2.3 模拟电池的装配  28-29
  2.4 材料的物理性能表征  29-30
  2.5 材料的电化学性能测试  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章 高温固相法合成LiFePO_4的研究  32-40
  3.1 概述  32
  3.2 材料的制备  32-34
    3.2.1 焙烧温度的选择  33
    3.2.2 焙烧时间的选择  33-34
  3.3 优化条件下合成LiFePO_4的性能  34-39
    3.3.1 材料的结构  34-35
    3.3.2 材料的形貌分析  35-36
    3.3.3 材料的电化学性能研究  36-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章 LiFePO_4的表面改性  40-52
  4.1 概述  40
  4.2 铜对LiFePO_4的表面改性  40-45
    4.2.1 LiFePO_4/Cu复合材料的制备  41
    4.2.2 材料的结构分析  41-42
    4.2.3 材料的形貌分析  42-43
    4.2.4 材料的电化学性能研究  43-45
  4.3 碳对LiFePO_4的表面改性  45-51
    4.3.1 LiFePO_4/C材料的制备  45-46
    4.3.2 材料的结构分析  46-47
    4.3.3 材料的形貌分析  47-48
    4.3.4 材料的电化学性能研究  48-51
  4.4 本章小结  51-52
第5章 Ni~(2+)体相掺杂改性LiFePO_4  52-59
  5.1 概述  52
  5.2 Ni~(2+)掺杂LiFePO_4的制备  52
  5.3 掺杂LiFePO_4的结构分析  52-54
  5.4 掺杂LiFePO_4的形貌分析  54-55
  5.5 掺杂LiFePO_4的电化学性能研究  55-57
  5.6 本章小结  57-59
第6章 真空煅烧合成LiFePO_4及电化学性能  59-65
  6.1 概述  59
  6.2 材料的制备  59-60
  6.3 样品的物相及形貌分析  60-61
  6.4 电化学性能研究  61-64
  6.5 本章小结  64-65
第7章 结论与展望  65-67
  7.1 结论  65-66
  7.2 展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-75
攻读硕士学位期间获得的成果  75

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 金属元素及其化合物 > 第Ⅰ族金属元素及其化合物 > 碱金属（ⅠA族）元素 > 锂Li
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