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锂离子电池正极用磷酸系铁基材料的研究

作　者: 郝冠男
导　师: 陈晓红；曹高萍
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料学
关键词: LiFePO4 FePO4 PAS(酚醛树脂) 活性炭 PAN(聚丙烯腈) 正极材料静电纺丝石榴型结构
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

磷酸系铁基材料具有成本低、无毒、原材料来源丰富和良好的电化学性能等优点成为当今锂离子电池用正极材料的研究热点。然而,磷酸系铁基材料固有的低电导率、较低的离子扩散系数以及苛刻的合成条件等不利因素限制了其应用范围。本文采用造孔、炭包覆以及静电纺丝等多种改性方法,结合TG(Thermogravimetry analysis,热重分析法)、XRD(X-ray radial diffraction, X射线衍射分析)、SEMS (canning electron microscope,扫描电子显微镜)、TEM (Transmission electron microscope,透射电子显微镜)、CV (Cyclic Voltammetry,循环伏安)、恒流充放电测试、EIS (Electrochemical impedance spectroscopy,电化学阻抗谱)等多种测试手段,对磷酸系铁基材料进行了系统深入的研究。1通过表征和测试六种商品FePO4 的学位论文">LiFePO4的形貌和电化学性能,初步确定,相比其他晶型(片状、层状、棒装等)的LiFePO4材料,晶型为球形(类球形)的LiFePO4电化学性能优异；LiFePO4颗粒粒径越小,低倍率性能越好,当合成的LiFePO4材料初级粒子为几十纳米到几百纳米,次级粒子为3um且规整度较高时,高倍率性能较好；含炭量的多少,炭包覆层的存在方式(炭网、碳管、炭微球、碳膜)以及炭层的致密状况等对活性物质的倍率性能影响显著。2考察了LiFePO4和活性炭含量对正极电化学性能的影响。当活性炭含量为25%时,法拉第准电容效应和双电层电容效应的协同作用达到最佳,电化学性能优于单纯的活性炭或LiFePO4,该复合电极在2～4 V电压范围内于0.2 C和30 C倍率下进行充放电测试,首次放电比容量分别为163 mAh·g-1和60 mAh·g-1。3通过两步高温固相法合成LiFePO4材料,确定了预固化温度为400℃,二次固化温度为680℃,预固化时间为8 h,二次固化为20 h的最佳合成工艺条件,在该最佳合成工艺条件下用水溶性PAS(酚醛树脂)改性LiFePO4,制得的富含介孔的LiFePO4/C复合材料性能优于未改性的LiFePO4材料。当LiFePO4/C复合材料中碳含量为0.5%时,低倍率性能优异,0.25 C下放电比容量接近150 mAh·g-1;当LiFePO4/C复合材料中碳含量为10%时,高倍率性能优异,15C下放电比容量为70 mAh·g-14通过高温固相法和静电纺丝法合成出一种石榴型结构的FePO4/C复合材料。通过对其进行系统的测试与表征,结果表明,其独特的三维网状结构的多孔炭层可有效提高FePO4/C复合材料的电化学性能,在0.2C和10C下首次放电比容量分别为109 mAh·g-1和39 mAh·g-1,其性能和报到的纳米级FePO4水平相当。

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