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锂离子电池磷酸铁锂正极材料的研究

作 者: 陈振
导 师: 单忠强
学 校: 天津大学
专 业: 应用化学
关键词: 锂离子电池 荷电状态 磷酸铁锂 离子掺杂 喷雾干燥
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


LiFePO4由于价格低廉、热稳定性非常好、安全性高和无污染的优势使之有望在动力型锂离子电池中获得应用。本文针对磷酸铁锂电池的充放电平台平稳,不容易确定电池荷电状态(State Of Charge),通过在磷酸铁锂中掺入多种元素,利用不同元素材料在充放电过程中产生不同的电压平台来表征充放电程度。XRD和充放电测试显示金属离子Mn2+掺杂产生了新相LiMnPO4,在4.1V左右增加一个充电平台,而金属离子Ti4+掺杂由于生成了含钛氧化物,在2.6V左右出现了放电平台,随着锰和钛掺杂量的增加平台长度也随之增加,同时过多的掺杂量并没有影响材料的比容量。这个特点可以作为电池充放电状态检测的依据,即SOC的判断,以防止电池的过充和过放。实验结果还表明Mn2+掺杂材料具有优良的循环性能和高倍率性能。对其进行恒流充放电测试显示材料具有良好的循环精度。金属离子Ti4+掺杂也改善了材料的电化学性能,在0.1C下首次充放电比容量约为150 mAh/g左右,以0.2C循环30次容量基本不衰减。Zr4+掺杂材料循环性能优良,在0.2C下循环30次容量保持不变,在大电流下充放也能具有优良的循环性能。而大电流测试显示少量的锆元素掺杂能极大地改善材料的高倍率放电性能,LiFe0.95Zr0.05PO4/C在8C时放电比容量为83.1mAh/g,占实际比容量的56.5%。本文采用高温固相法结合喷雾干燥来控制颗粒形貌和尺寸,制备出两种不同尺寸(0.5μm与1μm)的LiFePO4正极材料,并对其循环性能和倍率性能进行了相关研究。实验结果显示小颗粒的样品由于颗粒细小,极化度较小,具有良好的循环性能和倍率性能。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-21
  1.1 前言  7-8
  1.2 锂离子二次电池概述  8-10
    1.2.1 锂离子电池的发展简史  8-9
    1.2.2 锂离子电池工作原理  9-10
  1.3 锂离子电池正极材料发展概况  10-19
    1.3.1 几种常见的锂离子电池正极材料  10-13
    1.3.2 LiFeP0_4正极材料的性能  13
    1.3.3 LiFeP0_4材料的制备  13-16
    1.3.4 LiFeP0_4存在的问题及解决途径  16-19
  1.4 本论文的主要工作  19-21
第二章 实验方法  21-26
  2.1 实验药品及仪器  21-22
    2.1.1 实验药品  21
    2.1.2 实验仪器  21-22
  2.2 LiFeP0_4材料的制备  22-24
    2.2.1 高温固相法  22-23
    2.2.2 喷雾干燥-高温固相法  23-24
  2.3 电池正极膜的制备工艺及电池的组装  24
  2.4 LiFeP0_4样品的物化性能表征  24-25
    2.4.1 X-射线衍射  24
    2.4.2 环境扫描电子显微镜  24
    2.4.3 能量散射光谱(Energy Dispersion Spectroscopy,EDS)  24-25
    2.4.4 激光粒径分析  25
  2.5 LiFeP0_4样品的电化学性能表征  25-26
    2.5.1 恒电流充放电法  25
    2.5.2 循环伏安法  25-26
第三章 LiFeP0_4/C材料的金属离子掺杂  26-55
  3.1 高温固相法温度的选择  26-28
  3.2 LiFe_(1-x)Mn_xP0_4/C(LiFeP0_~(4+)Z1~(4+)/C、LiFeP0_~(4+)Ti~(4+)/C)材料制备  28
  3.3 LiFe_(1-x)Mn_xP0_4/C材料性能的研究  28-40
    3.3.1 XRD分析  28-29
    3.3.2 SEM分析  29-30
    3.3.3 能谱分析  30-31
    3.3.4 电化学性能比较  31-40
  3.4 其它金属离子的掺杂  40-53
    3.4.1 Ti~(4+)掺杂  40-47
    3.4.2 Z1~(~(4+))掺杂  47-53
  3.5 本章小结  53-55
第四章 喷雾干燥-高温固相法制备LiFeP0_4/C  55-61
  4.1 材料制备  55
  4.2 喷雾干燥对材料形貌和粒径大小的影响  55-60
    4.2.1 XRD分析  55-56
    4.2.2 SEM分析  56-57
    4.2.3 电化学性能测试  57-60
  4.3 本章小结  60-61
第五章 结论  61-63
参考文献  63-67
发表论文和科研情况说明  67-68
致谢  68

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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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