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锂离子电池正极材料LiFePO_4的制备与改性研究

作　者: 于士华
导　师: 王荣顺
学　校: 东北师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 锂离子电池 LiFePO4 水热法固相法包覆碳
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着三大化石燃料的日益枯竭，新能源的开发成为科研工作者的研究热点。目前，锂离子电池作为清洁能源广泛的应用在通信移动设备、笔记本电脑以及电动汽车等方面。正极材料的发展是制约锂离子电池性能提高的关键因素，因而它成为人们主要研究对象。其中，磷酸亚铁锂（LiFePO₄）因其具有高能量密度、高电压、循环稳定性好及对环境友好等优点成为锂离子电池正极材料的首选，是动力电源的理想材料。纯相磷酸亚铁锂电子导电率和离子迁移率都很低，若将其应用在实际生活中就需要提高它的电子电导率和离子迁移率，改善材料的电化学性能。目前人们主要从以下几个方面改善电化学性能：表面包覆（碳包覆和金属包覆）、金属掺杂、减小粒子尺寸。本文主要探究了水热法和固相法的最佳合成条件，通过减小粒子尺寸、选择合适的碳源进行碳包覆来改善电化学性能。1．文中讲述了锂离子电池的发展历程、工作原理、特点及应用、正极材料的研究进展，并详细介绍了LiFePO₄的研究进展。2．选择水热法合成材料，探究不同水热温度、不同水热时间对合成样品的影响。通过实验可知，当温度为180℃时，XRD衍射峰与标准谱图基本一致，属橄榄石型LiFePO₄的Pnma空间群，衍射峰尖锐，说明晶体生长完整，结晶性好；从SEM图中可以看到合成的材料粒子大小分布在60¹00nm之间，物相均匀，而当温度升高到200℃时，晶体生长过大，发生团聚，材料性能降低。由此，确定了最佳的水热温度为180℃。晶体的生长受到水热时间的影响，所以探讨了在180℃条件下水热时间对样品的影响，将反应时间从4小时升高到7小时，从XRD、SEM中可以判断出水热时间为6小时是最佳的反应时间，从电化学性能角度也证明了180℃、6小时是最佳的水热合成条件，0.1C的放电容量为144.1mAh/g。3．固相法中探讨了不同碳源对LiFePO₄材料的影响。选用两种碳源（淀粉和聚乙烯吡咯烷酮PVP）对LiFePO₄进行表面包覆。实验表明，LiFePO₄材料的结构不会受碳包覆影响，并且两种碳包覆均能得到晶相单一、结构完整的LiFePO₄/C复合材料。通过XRD、SEM、Raman以及电化学性能对比发现，PVP包覆的LiFePO₄材料体现了更好的性能，在0.1C放电容量为160.6mAh/g，5C倍率下经过100个循环容量保持率达到96.5%。煅烧后碳的结构对LiFePO₄材料的电化学性能产生很大影响。PVP在反应前期分布均匀，煅烧后形成均匀的碳层分布在材料表面，并且在煅烧的过程中经历了裂解、缩聚等过程形成网状导电结构，有效的提高了材料的电化学性能。

锂离子电池正极材料LiFePO_4的制备与改性研究

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