学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

锂离子电池正极材料Li_2FeSiO_4的改性研究

作　者: 曹璇
导　师: 郭华军；张宝
学　校: 中南大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 锂离子电池 Li2FeSiO4 固相反应 改性
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 266次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


论文详细综述了锂离子电池及其正极材料的发展和研究现状。Li2FeSiO4具有高安全性、无毒、价格低廉、资源丰富等优点,被认为是铁基正极材料中极具发展潜力的锂离子电池正极材料。然而材料本身极低的电子电导率和离子扩散能力是制约其发展的主要因素。本文选取Li2FeSiO4作为研究对象,对其材料改性、合成工艺、结构表征、电化学性能及电极动力学性能进行了详细研究。采用体相掺杂的方法对Li2FeSiO4进行了改性研究,通过高温固相反应制备了铁位掺镍的Li2Fe1-xNixSiO4材料。利用TG/DTA技术对Li2Fe1-xNixSiO4的前驱体进行了表征,并通过XRD、SEM、电化学测试方法研究了掺杂量对Li2FeSiO4晶体结构、微观形貌和电化学性能的影响。结果表明:适当的镍掺杂不会改变Li2FeSiO4材料基本晶体结构,材料的充放电容量和循环性能都得到了一定的提高,其中Li2Fe0.7Ni0.3SiO4样品具有最佳的放电容量和容量保持率。在前驱体中加入适量蔗糖作为碳源和还原剂,通过铁位掺锰和表面碳包覆的复合改性方式制备了Li2Fe1-xMnxSiO4/C复合材料,并系统研究了掺锰量、焙烧温度、焙烧时间、Li/Si配比对Li2Fe1-xMnxSiO4/C物理性能及电化学性能影响。在Li/Si比2.04、600℃下反应16h合成的Li2Fe1-xMnxSiO4/C材料具有较好的电化学性能,在1.5-4.8V电压区间、以C/16倍率充放电,其首次放电比容量达149.8mAh·g-1,循环30次此后的容量保持率为90.1%。进一步研究了优化合成条件下制备的Li2Fe1-xMnxSiO4/C材料的倍率性能以及高温条件下的循环性能。随着充放电电流倍率的提高,Li2Fe1-xMnxSiO4/C材料的循环性能变差;在高温下Li2Fe1-xMnxSiO4/C材料的电化学性能得到明显改善,在C/16倍率下,样品的放电平台平稳,循环30次后的容量保持率为94.2%。分别往前驱体中掺入不同量的蔗糖和葡萄糖,制备了不同碳源的Li2Fe1-xMnxSiO4/C复合材料。结果表明:随着碳含量的增加,Li2Fe1-xMnxSiO4/C颗粒逐渐减小,振实密度也逐渐减小。与蔗糖相比,葡萄糖作为碳源合成的材料的粒径分布更均匀,颗粒的表面形貌更规则,掺碳量为15%的样品具有较好的电化学性能,在C/16倍率下的首次放电比容量为154.7mAh·g-1,循环30次后的容量保持率为92.2%。采用循环伏安、交流阻抗、恒电位阶跃等不同的电化学测试方法对改性前后的Li2FeSiO4的锂离子脱嵌动力学过程进行了研究,并提出了与之匹配的等效电路图。从动力学角度进一步阐明了材料改性前后的性能差异。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章 文献综述  11-29
  1.1 引言  11
  1.2 锂离子电池的产生与发展  11-12
  1.3 锂离子电池的组成、工作原理及特点  12-15
    1.3.1 锂离子电池的组成  12-14
    1.3.2 锂离子电池的工作原理  14-15
  1.4 锂离子电池正极材料的研究进展  15-23
    1.4.1 钴基正极材料  16-18
    1.4.2 镍基正极材料  18-19
    1.4.3 锰基正极材料  19-21
    1.4.4 铁基正极材料  21-23
  1.5 新型锂离子电池正极材料硅酸铁锂(Li_2FeSiO_4)的研究进展  23-28
    1.5.1 Li_2FeSiO_4的结构  23-24
    1.5.2 Li_2FeSiO_4的特点及电化学性能  24-25
    1.5.3 Li_2FeSiO_4的制备方法  25-27
    1.5.4 存在的问题与改进方法  27-28
  1.6 本论文的研究意义和内容  28-29
第二章 掺镍Li_2FeSiO_4的制备与性能研究  29-44
  2.1 引言  29-30
  2.2 实验  30-32
    2.2.1 实验试剂与设备  30-31
    2.2.2 Li_2Fe_(1-x)Ni_xSiO_4的制备  31-32
  2.3 材料的表征方法  32-33
    2.3.1 热重与差热分析(TG/DTA)  32
    2.3.2 X射线衍射分析(XRD)  32
    2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)  32-33
  2.4 材料电化学性能测试  33-34
    2.4.1 扣式电池的制备  33
    2.4.2 比容量计算  33-34
    2.4.3 充放电制度和性能测试  34
  2.5 热重、差热分析结果  34-35
  2.6 镍掺杂对Li_2FeSiO_4材料性能的影响  35-40
    2.6.1 Li_2Fe_(1-x)Ni_xSiO-4材料的晶体结构  35-36
    2.6.2 Li_2Fe_(1-x)Ni_xSiO-4材料的微观形貌  36-37
    2.6.3 Li_2Fe_(1-x)Ni_xSiO-4材料的充放电性能  37-38
    2.6.4 Li_2Fe_(1-x)Ni_xSiO-4材料的循环性能  38-39
    2.6.5 Li_2Fe_(1-x)Ni_xSiO-4的倍率性能  39-40
  2.7 Li_2Ni_(0.3)Fe_(0.7)SiO_4与Li_2FeSiO_4的高温充放电性能  40-43
  2.8 本章小结  43-44
第三章 Li_2Fe_(1-x)Mn_xSiO-4/C的制备及性能研究  44-64
  3.1 引言  44-45
  3.2 实验  45
    3.2.1 Li_2Fe_(1-x)Mn_xSiO-4/C样品的制备  45
    3.2.2 物理性能表征  45
    3.2.3 电化学性能测试  45
  3.3 前驱体预处理温度的确定  45-46
  3.4 掺Mn量对Li_2Fe_(1-x)Mn_xSiO-4/C材料性能的影响  46-50
    3.4.1 掺Mn量对Li_2Fe_(1-x)Mn_xSiO-4/C材料晶体结构的影响  46-48
    3.4.2 掺Mn量对Li_2Fe_(1-x)Mn_xSiO-4/C材料微观形貌的影响  48-49
    3.4.3 掺Mn量对Li_2Fe_(1-x)Mn_xSiO-4/C材料充放电性能的影响  49-50
    3.4.4 掺Mn量对Li_2Fe_(1-x)Mn_xSiO-4/C材料循环性能的影响  50
  3.5 焙烧温度对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料性能的影响  50-54
    3.5.1 焙烧温度对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料晶体结构的影响  51
    3.5.2 焙烧温度对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料形貌的影响  51-53
    3.5.3 焙烧温度对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料充放电性能的影响  53
    3.5.4 焙烧温度对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料循环性能的影响  53-54
  3.6 焙烧时间对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料性能的影响  54-58
    3.6.1 焙烧时间对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料晶体结构的影响  54-55
    3.6.2 焙烧时间对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料微观形貌的影响  55-56
    3.6.3 焙烧时间对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料充放电性能的影响  56-57
    3.6.4 焙烧时间对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料循环性能的影响  57-58
  3.7 锂/硅配比对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料性能的影响  58-59
    3.7.1 锂/硅比对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料充放电性能的影响  58
    3.7.2 锂/硅比对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料循环性能的影响  58-59
  3.8 Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C的倍率性能  59-60
  3.9 Li_2FeSiO_4、Li_2FeSiO_4/C和Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C的高温充放电性能  60-62
  3.10 本章小结  62-64
第四章 不同碳源对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C性能的影响研究  64-73
  4.1 引言  64
  4.2 实验  64-65
    4.2.1 不同碳源的Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料的制备  64
    4.2.2 物理性能表征  64
    4.2.3 振实密度的测定  64-65
    4.2.4 电化学性能测试  65
  4.3 蔗糖对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料性能的影响  65-69
    4.3.1 蔗糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料晶体结构的影响  65-66
    4.3.2 蔗碳量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料微观形貌的影响  66-67
    4.3.3 蔗糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料充放电性能的影响  67
    4.3.4 蔗糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料循环性能的影响  67-68
    4.3.5 蔗糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料振实密度的影响  68-69
  4.4 葡萄糖对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料性能的影响  69-72
    4.4.1 葡萄糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料晶体结构的影响  69-70
    4.4.2 葡萄糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料微观形貌的影响  70
    4.4.3 葡萄糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料充放电性能的影响  70-71
    4.4.4 葡萄糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料循环性能的影响  71-72
    4.4.5 葡萄糖量对Li_2Fe_(0.9)Mn_(0.1)SiO_4/C材料振实密度的影响  72
  4.5 本章小结  72-73
第五章 动力学研究  73-84
  5.1 引言  73
  5.2 实验  73-74
    5.2.1 模拟电池的组装  73
    5.2.2 循环伏安的测量  73-74
    5.2.3 电极的交流阻抗图谱的测定  74
    5.2.4 锂离子扩散系数的测量  74
  5.3 Li_2FeSiO_4电极材料的循环伏安研究  74-75
  5.4 锂离子在Li_2FeSiO_4电极材料的嵌入/脱出过程研究  75-79
    5.4.1 锂离子在Li_2FeSiO_4电极材料中的嵌入/脱出反应过程  75
    5.4.2 模型假设  75-76
    5.4.3 等效电路的建立  76
    5.4.4 不同样品的交流阻抗测定  76-79
  5.5 Li_2FeSiO_4中锂离子扩散性能的研究  79-82
    5.5.1 恒电流阶跃法测定电极中的锂离子扩散系数的理论推导  79-81
    5.5.2 锂离子扩散系数的测定  81-82
  5.6 本章小结  82-84
第六章 结论  84-86
参考文献  86-94
致谢  94-95
攻读硕士学位期间发表的论文  95

相似论文

  1. 纳米稀土硬质合金YG11R的成分与工艺优化及磨损研究,TG135.5
  2. 锂离子电池用多元Sn合金基碳复合材料的研究,TM912.9
  3. 锂离子电池硅碳负极材料的制备与性能研究,TM912.9
  4. Fe，V共掺杂TiO2催化剂的合成、表征及其性能研究,O614.411
  5. 微氧条件下密闭电石炉尾气中COS气体吸附净化研究,X781
  6. 生物医用OCS/PLLA复合膜的制备与性能表征,R318.08
  7. 掺杂锐钛矿型二氧化钛光催化性能的第一性原理计算,O643.36
  8. 聚砜的合成及改性环氧树脂胶黏剂的研究,TQ433.437
  9. 双酚AP型苯并噁嗪树脂的合成及性能研究,TQ320.1
  10. 超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能研究,TQ342.61
  11. 新型阳离子疏水改性聚丙烯酰胺的合成及应用,TQ323.6
  12. 壳聚糖衍生物的合成及其吸附性能研究,TS254.9
  13. 废弃氟石膏改性利用及高含氟废水处理研究,X703
  14. 利用作物秸秆制备高性能吸附材料并用于水中多环芳烃治理,X712
  15. 用于回收废旧锂离子电池中贵金属钴的螯合剂的合成及其性能研究,X76
  16. 不同类型亲水结构表面修饰聚氨酯的合成及其生物相容性研究,R318.08
  17. LDH和Mg/Al/Fe-Mt对水中磷、铬的吸附效果研究,X703
  18. 不同类型亲水性结构表面修饰的聚氨酯材料与凝血十二因子九肽片段及纤维蛋白原P1片段相互作用的计算机模拟,O631.3
  19. 环氧树脂/金属基体、环氧树脂/颜填料界面改性研究,TQ630.1
  20. 改性膨润土应急处置泄漏液态有机物的研究,X703
  21. 醇提浓缩大豆蛋白的物理改性,TS201.21

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
© 2012 www.xueweilunwen.com