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Ti3SiC2改性锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备及性能研究

作　者: 安静
导　师: 郭瑞松
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: 锂离子电池 正极材料 磷酸亚铁锂 Ti3SiC2改性 电化学性能
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本文采用悬浮液法和球磨混合法将板片状的Ti3SiC2混合到锂离子电池正极材料LiFePO4/C中，来改善其电化学性能。利用XRD、Raman光谱、HRTEM和SEM来表征材料的组成及结构形态，将正极粉体组装成扣式电池，运用恒电流充放电技术、循环伏安法（CV）、交流阻抗技术（EIS）和恒电位阶跃法（PSCA）来测试Ti3SiC2对LiFePO4/C材料电化学性能的影响。SEM和XRD观察发现板片状的Ti3SiC2加入到正极体系中后，并没有影响LiFePO4的晶体结构，LiFePO4/C颗粒与Ti3SiC2颗粒通过点-面的形式相接触，板片状的Ti3SiC2将LiFePO4/C颗粒桥接在一起，形成了三维导电网络；充放电测试结果显示Ti3SiC2的加入改善了LiFePO4/C材料的高倍率性能；循环伏安、交流阻抗和恒电位阶跃测试结果表明，Ti3SiC2的加入增强了材料的电化学可逆性，减小了电荷转移电阻，促进了锂离子扩散。采用悬浮液法制备了2-5wt%的Ti3SiC2改性的LiFePO4/C材料，考察了不同的Ti3SiC2添加量对材料电化学性能的影响。充放电测试结果显示，Ti3SiC2的加入对LiFePO4/C低倍率下放电比容量的提高不明显，随着倍率逐渐提高，这种改善效果愈发显著。当Ti3SiC2含量为4wt%时材料的充放电性能最好，其在1C和5C倍率下的最大放电比容量分别为140.4和101.2mAh g-1，明显高于空白LFP/C试样的121.0和63.4mAh g-1。采用球磨混合法制备了3-5wt%的Ti3SiC2改性的LiFePO4/C材料，充放电测试结果表明，在低倍率下Ti3SiC2改性试样的放电比容量低于空白的LFP/C试样，而随着倍率逐渐提高，改性效果愈发明显。其中Ti3SiC2含量为4wt%的试样，在1C、2C和5C倍率下的最大放电比容量分别为132.4、119.9和98.7mAh g-1。球磨混合法制备的试样的电化学性能比悬浮液法制备的试样的电化学性能略差一些。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 文献综述  7-21
  1.1 前言  7
  1.2 锂离子电池简介  7-9
    1.2.1 锂离子电池发展历史  7-8
    1.2.2 锂离子电池的结构与原理  8-9
  1.3 锂离子电池正极材料  9-12
    1.3.1 层状结构的 LiMO_2  9-11
      1.3.1.1 LiCoO_2正极材料  9-10
      1.3.1.2 LiNiO_2正极材料  10
      1.3.1.3 LiMnO_2正极材料  10-11
      1.3.1.4 LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O_2正极材料  11
    1.3.2 尖晶石结构的 LiMn_2O_4  11-12
    1.3.3 橄榄石结构的 LiMPO_4  12
  1.4 锂离子电池正极材料 LiFePO_4  12-19
    1.4.1 LiFePO_4的结构和性质  12-13
    1.4.2 LiFePO_4的充放电机理  13-14
    1.4.3 LiFePO_4存在的问题及改性方法  14-19
      1.4.3.1 掺杂改性  15-16
      1.4.3.2 表面包覆改性  16-18
      1.4.3.3 导电剂复合改性  18-19
      1.4.3.4 优化合成工艺改性  19
  1.5 本课题的选题依据、研究内容和创新点  19-21
    1.5.1 选题依据  19-20
    1.5.2 研究内容  20
    1.5.3 创新点  20-21
第二章 实验过程与研究方法  21-27
  2.1 实验原料和仪器  21-22
  2.2 材料的制备  22-23
    2.2.1 悬浮液法制备 Ti_3SiC_2改性的 LiFePO_4/C 正极材料  22-23
    2.2.2 球磨混合法制备 Ti_3SiC_2改性的 LiFePO_4/C 正极材料  23
  2.3 材料的结构和性能表征  23-25
    2.3.1 物相分析  23
    2.3.2 碳相的结构分析  23-24
    2.3.3 表面形貌分析  24
    2.3.4 微观结构分析  24
    2.3.5 粉末电导率测定  24-25
  2.4 实验电池的组装  25-26
    2.4.1 电池正极片的制备  25
    2.4.2 扣式电池的组装  25-26
  2.5 电池电化学性能测试  26-27
    2.5.1 充放电测试  26
    2.5.2 循环伏安测试  26
    2.5.3 交流阻抗测试  26
    2.5.4 恒电位阶跃测试  26-27
第三章 结果与讨论  27-51
  3.1 Ti_3SiC_2粉末的导电性及微观形貌  27-28
    3.1.1 Ti_3SiC_2粉末的电导率  27-28
    3.1.2 Ti_3SiC_2粉末的表面形貌  28
  3.2 悬浮液法制备 Ti_3SiC_2改性的 LiFePO_4/C 材料的研究  28-45
    3.2.1 晶体结构与物相分析  28-29
    3.2.2 碳相的结构分析  29-30
    3.2.3 碳包覆层的包覆状况分析  30-31
    3.2.4 表面微观形貌和能谱分析  31-32
    3.2.5 粉末电导率分析  32-33
    3.2.6 电化学性能分析  33-45
      3.2.6.1 充放电容量及循环性能分析  33-38
      3.2.6.2 循环伏安曲线分析  38-41
      3.2.6.3 交流阻抗谱图分析  41-44
      3.2.6.4 恒电位阶跃分析  44-45
  3.3 球磨混合法制备 Ti_3SiC_2改性的 LiFePO_4/C 材料的研究  45-51
    3.3.1 微观形貌分析  45-46
    3.3.2 电化学性能分析  46-51
      3.3.2.1 充放电容量及循环性能分析  46-48
      3.3.2.2 循环伏安曲线分析  48
      3.3.2.3 交流阻抗谱图分析  48-49
      3.3.2.4 恒电位阶跃分析  49-51
第四章 结论  51-52
参考文献  52-58
发表论文和参加科研情况说明  58-59
致谢  59

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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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