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模板法合成LiFePO4/C及其电化学性能

作　者: 陈星
导　师: 刘开宇
学　校: 中南大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 模板法 磷酸铁锂 水热法 电化学性能
分类号: O646
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO4)的理论比容量为170mAh/g,对锂电极电势3.45V,是一种极具潜力的锂离子电池正极材料。因其具有原料丰富、无毒环保、可逆性好、循环稳定性好、安全性能好等一系列优点,被认为是动力型锂离子电池的理想材料。但纯LiFePO4仍存在电导率低(约为10-9S/cm)、离子扩散系数低(约为10-11～10-10S/cm)等问题,这导致其倍率性能很差,影响了LiFePO4在实际中的应用。本文综述了橄榄石型的LiFePO4研究进展,以P123为模板剂水热合成了LiFePO4/C正极材料,并对其形貌特征和电化学性能进行了表征与研究。以LiNO3、NH4H2PO4、FeNO3·9H2O为原料,采用P123、葡萄糖和一水合柠檬酸作为碳源,在水和乙醇混合溶液中150℃水热合成了LiFePO4/C材料。结果表明,以P123作为碳源得到的复合球形LiFePO4/C材料拥有良好的充放电性能和倍率性能。研究了不同球形形貌LiFePO4/C的电化学性能。通过改变P123以及原料的浓度,改变前驱体的结构,并以此得到了不同球形形貌的LiFePO4/C。结果表明,在150℃水热条件下合成的复合球形形貌的LiFePO4/C电化学性能为最佳,并且m(P123):m(LiFePO4)=1.5:1.2为最佳合成配比。将在m(P123):m(LiFePO4)=1.5:1.2, m(P123)=2.0g条件下合成的LiFePO4/C超声1h,得到颗粒破碎的LiFePO4/C材料。对比超声前后的LiFePO4/C电化学性能,发现超声前的球形LiFePO4/C电化学性能比超声后要好,这是由于超声前的颗粒比超声后的能更好得相互接触,充放电时形成良好的导电网络。以m(P123):m(LiFePO4)=1.5:1.2的比例,在不同温度下合成了LiFePO4/C材料,在150℃水热下得到了复合球形LiFePO4/C材料,在180℃水热条件下得到了组合蝴蝶形貌的LiFePO4/C材料,在210℃水热条件下得到的LiFePO4/C由多种形状颗粒组成。这是由于当P123所在溶液温度升高时,P123中的EO片段亲水性开始减小,疏水性增加,导致最终P123形成的模板形状有所变化。结果表明在150℃水热条件下得到的复合球形LiFePO4/C材料高倍率放电性能最佳,210℃水热条件下得到的LiFePO4/C材料低倍率放电性能最佳。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章 前言  10-24
  1.1 锂离子电池发展历史  10-11
  1.2 锂离子电池的工作原理  11
  1.3 锂离子电池研究前景  11-12
  1.4 锂离子电池正极材料的研究进展  12-22
    1.4.1 LiCoO_2正极材料  12-13
    1.4.2 LiNiO_2正极材料  13-14
    1.4.3 LiMn_2O_4正极材料  14-15
    1.4.4 LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2正极材料  15
    1.4.5 Li_3V_2(PO_4)_3正极材料  15-17
    1.4.6 LiFePO_4正极材料  17-22
  1.5 本论文的工作及研究意义  22-24
第二章 实验方法  24-27
  2.1 材料合成  24-25
    2.1.1 主要化学试剂和仪器  24
    2.1.2 水热法合成磷酸铁锂材料  24-25
  2.2 材料表征  25
    2.2.1 X射线衍射  25
    2.2.2 扫描电子显微镜  25
  2.3 材料电化学性能测试  25-27
    2.3.1 扣式电池制备  25
    2.3.2 电池充放电性能测试  25-26
    2.3.3 循环伏安测试  26
    2.3.4 交流阻抗测试  26-27
第三章 碳包覆LiFePO_4/C的制备与电化学性能研究  27-36
  3.1 引言  27
  3.2 实验部分  27-28
  3.3 结果与讨论  28-35
    3.3.1 LiFePO_4/C的XRD图及其分析  28-29
    3.3.2 LiFePO_4/C的SEM图及其分析  29-30
    3.3.3 碳残余量测试  30
    3.3.4 LiFePO_4/C首次充放电曲线图及其分析  30-31
    3.3.5 LiFePO_4/C的循环伏安曲线图及其分析  31-32
    3.3.6 LiFePO_4/的电化学阻抗图及其分析  32-33
    3.3.7 LiFePO_4/C的循环倍率曲线图及其分析  33-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章 不同形貌LiFePO_4/C的制备及其电化学性能研究  36-57
  4.1 引言  36
  4.2 实验部分  36-37
  4.3 结果与讨论  37-52
    4.3.1 P123及原料浓度对LiFePO_4/C的结构与电化学性能的影响  37-43
    4.3.2 超声对球形LiFePO_4/C的结构与电化学性能影响  43-48
    4.3.3 水热温度对LiFePO_4/C的结构与电化学性能的影响  48-52
  4.4 不同形貌LiFePO_4/C的形成机理  52-55
  4.5 本章小结  55-57
第五章 结论  57-58
参考文献  58-66
攻读硕士期间的主要研究成果  66-67
致谢  67

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 电化学、电解、磁化学
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