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锂离子电池关键材料FeF3和LiTi2（PO4）3的制备及性能研究

作　者: 周萌
导　师: 刘黎
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理化学
关键词: 氟化铁 钴掺杂 磷酸钛锂 复合材料 锂离子电池
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


FeF3可进行可逆化学转换反应，其理论比容量高达712mAh/g，但FeF3离子键特征强、能带隙宽、导电性差，导致其实际比容量低、容量衰减快、倍率性能差，严重阻碍了它的实际应用。钠超离子导体型的LiTi2（PO4）3具有三维网状结构，Li+可在其晶体结构所含有的三维通道中迁移，因此，离子导电性较好，然而其差的电子导电性导致倍率性能较差。本论文以提高FeF3和LiTi2（PO4）3的导电性为目的，进而改善材料的电化学性能，尤其是提高材料的倍率性能。采用低温液相法合成FeF3·3H2O，经热处理后得到FeF3·0.33H2O和FeF3。研究表明，正交晶系的FeF3·0.33H2O具有最好的电化学性能。为了提高材料的电子导电性，将其与乙炔黑球磨并进行真空热处理制备FeF3·nH2O/C （n=3,0.33,0）纳米复合材料。结果表明，尽管三种材料的晶体结构不同，但在1.04.5V的电压范围内都可发生Fe3+还原为Fe0的可逆化学转换反应。FeF3·0.33H2O/C复合材料在2.04.5V的电压范围，0.1C和5C倍率下，其首次放电比容量分别为177.6，105.1mAh/g，循环100次后，其容量保持率分别高达83.8%和83.3%。为了进一步改善FeF3·0.33H2O的电化学性能，对其进行Co离子掺杂，制备了Fe1-xCoxF3·0.33H2O/C （x=0,0.03,0.05,0.07）复合材料，详细研究了钴掺杂量对材料结构和性能的影响。结果表明，Co离子成功地掺杂到Fe位，Co离子掺杂能大大提高材料的倍率性能和循环性能。Fe0.95Co0.05F3·0.33H2O/C纳米复合材料具有最佳的电化学性能，在2.04.5V电压范围，1C，2C，5C （1C=237mA/g）倍率下，其放电比容量分别为151.7，136.4，127.6mAh/g，循环100次后，其容量保留率高达92.0%，92.2%和91.7%。采用聚乙二醇溶胶-凝胶法制备LiTi2（PO4）3，并将其与乙炔黑球磨制备LiTi2（PO4）3/C复合材料。探讨了煅烧温度对LiTi2（PO4）3晶体结构和性能的影响，结果表明，850°C合成的LiTi2（PO4）3性能最佳。碳包覆能提高材料的电子导电率，减小电化学极化从而抑制电池的容量衰减。LiTi2（PO4）3/C复合材料在1.53.5V电压范围，0.1C，0.5C，1C，2C，5C和10C （1C=140mA/g）的倍率下，放电比容量分别为139.9，126.4，115.8，106.0，97.1，91.3mAh/g，10C倍率循环100次后其容量保持率达81.5%。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-27
  1.1 引言  10
  1.2 锂离子电池简介  10-14
    1.2.1 锂离子电池的发展  10-12
    1.2.2 锂离子电池的结构和工作原理  12-13
    1.2.3 锂离子电池的特点  13-14
  1.3 锂离子电池正极材料发展概况  14-17
    1.3.1 LiCoO_2正极材料  15-16
    1.3.2 LiNiO_2正极材料  16
    1.3.3 LiMn2O_4正极材料  16
    1.3.4 LiFePO_4正极材料  16-17
    1.3.5 LiNixCoyMnzO_2正极材料  17
  1.4 FeF_3正极材料研究进展  17-23
    1.4.1 金属氟化物的反应机理  18-19
    1.4.2 FeF_3的结构  19-21
    1.4.3 FeF_3的制备及改性研究  21-23
  1.5 LiTi_2(PO_4)_3正极材料研究进展  23-25
    1.5.1 LiTi_2(PO_4)_3的结构  23-24
    1.5.2 LiTi_2(PO_4)_3的制备方法  24
    1.5.3 LiTi_2(PO_4)_3的电化学性能及改性研究  24-25
  1.6 本课题的主要研究内容及意义  25-27
第2章 实验方法  27-33
  2.1 实验药品及仪器  27-28
    2.1.1 主要实验药品  27-28
    2.1.2 主要实验仪器  28
  2.2 材料的物理性能表征  28-30
    2.2.1 热失重(TG)和差示扫描量热(DSC)  28-29
    2.2.2 X-射线衍射(XRD)  29
    2.2.3 扫描电镜(SEM)  29-30
    2.2.4 透射电镜(TEM)，能谱分析(EDX)和选区电子衍射(SAED)  30
    2.2.5 X-射线光电子能谱(XPS)  30
  2.3 扣式电池的制备  30-31
    2.3.1 FeF_3极片的制备  30-31
    2.3.2 LiTi_2(PO_4)_3极片的制备  31
    2.3.3 电池的组装  31
  2.4 材料的电化学性能表征  31-33
    2.4.1 充放电性能测试  31
    2.4.2 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试  31-32
    2.4.3 恒电流间歇滴定(GITT)分析  32-33
第3章 FeF_3·nH_2O/C (n= 3, 0.33, 0)的制备及性能研究  33-54
  3.1 引言  33
  3.2 材料的制备  33-34
    3.2.1 FeF_3·nH_2O (n= 3, 0.33, 0)的制备  33-34
    3.2.2 FeF_3·nH_2O/C (n= 3, 0.33, 0)复合材料的制备  34
  3.3 FeF_3·nH_2O (n= 3, 0.33, 0)的结构和性能研究  34-40
    3.3.1 物理性能表征  34-39
    3.3.2 电化学性能表征  39-40
  3.4 FeF_3·nH_2O/C (n= 3, 0.33, 0)复合材料的性能研究  40-52
    3.4.1 物理性能表征  40-43
    3.4.2 电化学反应机理研究  43-47
    3.4.3 电化学性能表征  47-52
  3.5 本章小结  52-54
第4章 Fe_(1-x)Co_xF_3·0.33H_2O/C (x= 0, 0.03, 0.05, 0.07)的制备及性能研究  54-70
  4.1 引言  54
  4.2 材料的制备  54-55
    4.2.1 Fe_(1-x)Co_xF_3(x= 0, 0.03, 0.05, 0.07)的制备  54-55
    4.2.2 Fe_(1-x)Co_xF_3·0.33H_2O/C (x= 0, 0.03, 0.05, 0.07)复合材料的制备  55
  4.3 Fe_(1-x)Co_xF_3(x= 0, 0.03, 0.05, 0.07)的性能研究  55-58
    4.3.1 物理性能表征  55-57
    4.3.2 电化学性能表征  57-58
  4.4 Fe_(1-x)Co_xF_3·0.33H_2O/C (x= 0, 0.03, 0.05, 0.07)复合材料的性能研究  58-68
    4.4.1 物理性能表征  58-63
    4.4.2 电化学性能表征  63-68
  4.5 本章小结  68-70
第5章 LiTi_2(PO_4)_3/C 的制备及电化学性能研究  70-82
  5.1 引言  70
  5.2 材料的制备  70-71
    5.2.1 LiTi_2(PO_4)_3的制备  70-71
    5.2.2 LiTi_2(PO_4)_3/C 复合材料的制备  71
  5.3 煅烧温度对 LiTi_2(PO_4)_3性能的影响  71-75
    5.3.1 热重(TG)分析  71-72
    5.3.2 X-射线衍射(XRD)分析  72-73
    5.3.3 扫描电镜(SEM)分析  73
    5.3.4 电化学性能分析  73-75
  5.4 碳包覆对 LiTi_2(PO_4)_3性能的影响  75-81
    5.4.1 X-射线衍射(XRD)分析  75
    5.4.2 扫描电镜(SEM)分析  75-76
    5.4.3 倍率性能  76-78
    5.4.4 循环性能  78-79
    5.4.5 循环伏安(CV)分析  79-80
    5.4.6 交流阻抗(EIS)测试  80-81
  5.5 本章小结  81-82
第6章 结论与展望  82-85
  6.1 结论  82-83
  6.2 展望  83-85
参考文献  85-92
致谢  92-93
个人简历  93-94
攻读硕士期间公开发表的学术论文  94-96

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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