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Li2FeSiO4/C复合正极材料的制备与电化学性能研究

作　者: 李春小
导　师: 左朋建
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 锂离子电池 Li2FeSiO4/C 固相法 水热法
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


新型锂离子电池正极材料Li2FeSiO4因其原料来源广泛、对环境无污染、安全性高等优点而倍受关注。但Li2FeSiO4中锂离子扩散速率小，其自身电子导电率低，限制了它在实际中的应用。本文分别采用了固相法和水热法制备Li2FeSiO4/C纳米材料，分别研究了不同制备方法下得到的纳米材料的结构、形貌和电化学性能，并探究了采用水热法制备材料时水热反应温度和碳含量对材料结构和电化学性能的影响。以Li2CO3、FeC2O4·2H2O和纳米SiO2为反应物，以蔗糖为碳源，采用固相法制备Li2FeSiO4/C。合成的材料中有一定数量的杂质存在，颗粒粒度集中分布在几十纳米范围内。在1/16C的倍率下，材料首次放电容量为153mAh·g-1，35次循环后放电容量55mAh·g-1，容量保持率约为36%。在反应物中按化学计量比添加C4H6MnO4·4H2O，制备Li2Fe0.5Mn0.5SiO4/C。在1/16C倍率下，材料的首次放电容量211mAh·g-1，第二次循环中放电容量达到最大值308mAh·g-1，接近Li2MnSiO4的理论容量，25次循环后容量保持率为33%。通过对两种材料的电化学性能进行对比，掺Mn处理后材料具有更高的放电容量和更好的循环性能，说明掺Mn处理可有效改善材料的电化学性能。以CH3COOLi·2H2O、FeC2O4·2H2O、Si（C2H5O）4为反应物，以蔗糖为碳源，采用水热法制备Li2FeSiO4/C。探究水热反应温度和碳含量对材料结构和性能的影响。水热反应温度为150℃时，材料具有更小的颗粒尺寸，更大的放电容量和更好的循环性能。碳含量为12.5%时，颗粒大小更均一，分散性更好，电化学性能更优越。综合以上情况，在水热反应温度为150℃，碳含量为12.5%的实验条件下制备Li2FeSiO4/C，此时材料的粒径大小均一，集中分布在十几纳米左右。在0.1C倍率下，优化后水热法制备的Li2FeSiO4/C材料，首次充放电容量分别为140mAh·g-1、144mAh·g-1，库伦效率大于100%。在之后循环中放电容量一直维持在160mAh·g-1，最大放电容量为166mAh·g-1，达到了Li2FeSiO4材料的理论容量，20次循环后放电容量为151mAh·g-1，容量没有衰减。同时，材料也具有较好的倍率性能，在1C倍率下首次放电容量121mAh·g-1，前30次循环中放电容量一直维持在110mAh·g-1左右；在2C倍率下首次放电容量90mAh·g-1，之后循环中放电容量一直维持在100mAh·g-1，50次循环后放电容量为93mAh·g-1；在5C倍率下首次放电容量为84mAh·g-1，前20次循环中放电容量维持在100mAh·g-1左右，50次循环后放电容量为82mAh·g-1。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-25
  1.1 引言  10-11
  1.2 锂离子电池电极材料的研究现状  11-16
    1.2.1 锂离子电池负极材料的研究现状  11-13
    1.2.2 锂离子电池正极材料的研究现状  13-16
  1.3 正硅酸盐 Li_2MSiO_4（M=Fe、Mn 等）的研究现状  16-23
    1.3.1 硅酸亚铁锂（Li_2FeSiO_4）的研究现状  16-21
    1.3.2 硅酸锰锂（Li_2MnSiO_4）的研究现状  21-23
  1.4 本文的主要研究内容  23-25
第2章 实验材料及测试方法  25-31
  2.1 实验材料及仪器设备  25-26
    2.1.1 实验药品  25-26
    2.1.2 实验仪器  26
  2.2 材料制备方法  26-28
    2.2.1 固相法制备 Li_2FeSiO_4/C 复合材料  26-27
    2.2.2 固相法制备 Li2Fe_(0.5)Mn(0.5)SiO_4/C 复合材料  27
    2.2.3 水热法制备 Li_2FeSiO_4/C 复合材料  27-28
  2.3 材料的物理性能测试  28-29
    2.3.1 X 射线粉末衍射（XRD）  28
    2.3.2 扫描电子显微镜技术（SEM）  28
    2.3.3 透射电子显微镜技术（TEM）  28-29
  2.4 电极制备及电池装配  29-30
    2.4.1 电极制备  29
    2.4.2 电池装配  29-30
  2.5 材料的电化学性能测试  30-31
    2.5.1 恒电流充放电测试  30
    2.5.2 循环伏安测试  30
    2.5.3 交流阻抗测试  30-31
第3章 固相法制备 Li_2FeSiO_4/C 和 Li2Fe_(0.5)Mn(0.5)SiO_4/C 复合材料  31-38
  3.1 固相法制备 Li_2FeSiO_4/C 复合材料  31-34
    3.1.1 固相法制备 Li_2FeSiO_4/C 的结构和形貌分析  31-32
    3.1.2 固相法制备 Li_2FeSiO_4/C 的电化学性能分析  32-34
  3.2 固相法制备 Li_2Fe_(0.5)Mn_(0.5)SiO_4/C 复合材料  34-36
    3.2.1 固相法制备 Li_2Fe_(0.5)Mn_(0.5)SiO_4/C 的结构和形貌分析  34-35
    3.2.2 固相法制备 Li_2Fe_(0.5)Mn_(0.5)SiO_4/C 的电化学性能分析  35-36
  3.3 本章小结  36-38
第4章 水热法制备 Li_2FeSiO_4/C 复合材料  38-56
  4.1 水热反应温度对 Li_2FeSiO_4/C 材料结构与性能的影响  38-43
    4.1.1 不同水热反应温度对 Li_2FeSiO_4/C 材料结构和形貌影响  38-40
    4.1.2 不同水热反应温度对 Li_2FeSiO_4/C 材料电化学性能影响  40-43
  4.2 碳含量对 Li_2FeSiO_4/C 材料结构与性能的影响  43-48
    4.2.1 不同碳含量对 Li_2FeSiO_4/C 材料结构和形貌的影响  43-44
    4.2.2 不同碳含量对 Li_2FeSiO_4/C 材料电化学性能的影响  44-48
  4.3 优化后水热法制备 Li_2FeSiO_4/C 材料  48-54
    4.3.1 优化后水热法制备 Li_2FeSiO_4/C 材料结构和形貌分析  48-50
    4.3.2 优化后水热法制备 Li_2FeSiO_4/C 材料的电化学性能分析  50-54
  4.4 本章小结  54-56
结论  56-57
参考文献  57-65
致谢  65

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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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