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化学气相沉积原位合成LiFePO4/CNF和LiFePO4/CNT正极材料

作　者: 戴首
导　师: 侯峰
学　校: 天津大学
专　业: 材料工程
关键词: 磷酸亚铁锂 化学气相沉积 碳纳米纤维 碳纳米管 锂离子电池
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


橄榄石结构锂离子电池正极材料，磷酸亚铁锂（LiFePO4）具有成本较低，原材料丰富，合成工艺简单，环境友好，比容量较高，循环寿命长等优点，在动力和储能电池方面有着广阔的市场发展和应用前景。但由于其电子电导率和离子扩散率较低，在一定程度上也限制了它的实际应用。本论文在制备LiFePO4过程中，通过化学气相沉积（CVD）法原位将碳纳米纤维（CNF）或碳纳米管（CNT）引入体系中，来实现提高LiFePO4电化学性能的目的。LiFePO4合成是以氧化铁、锂磷酸二氢和蔗糖为原料，通过两步法在合成温度750oC得到。该材料用于锂离子电池正极时，其在0.1C、0.5C、1C、2C倍率下的放电容量分别为140mAh/g、100mAh/g、80mAh/g、52mAh/g。LiFePO4/CNF复合材料合成方法结合了高温固相反应和化学气相沉积法，将磷酸亚铁锂预烧后粉体掺入催化剂，乙醇、环己烷作为CNF生长的碳源。主要研究了沉积气氛、催化剂、碳源的注入速率等对产物形貌和结构的影响，实验结果显示，LiFePO4颗粒被直径为20-30nm的CNF缠绕；LiFePO4/CNF复合材料在0.1C、0.5C、1C、2C倍率下的放电容量分别为125mAh/g、96mAh/g、77mAh/g、60mAh/g。LiFePO4/CNT复合材料同样采用化学气相沉积法，以乙烯作碳源，在磷酸亚铁锂颗粒表面生长出一层直径约30nm的CNT，该材料在0.1C、0.5C、1C、2C倍率下的放电容量分别为136mAh/g、105mAh/g、90mAh/g、75mAh/g。LiFePO4/CNF和LiFePO4/CNT复合材料中的CNF和CNT生长在磷酸亚铁锂颗粒中间，相互连接成导电网络，有效提高材料的导电性，从而提升了磷酸亚铁锂的电池性能。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章 绪论  7-19
  1.1 锂离子研究背景  7
  1.2 锂离子电池概述  7-9
    1.2.1 锂离子电池的特点  7-8
    1.2.2 锂离子电池的工作原理  8-9
  1.3 锂离子电池正极材料研究进展及优缺点比较  9-10
  1.4 磷酸亚铁锂正极材料研究进展  10-15
    1.4.1 磷酸亚铁锂正极材料的结构  10-11
    1.4.2 磷酸亚铁锂的电化学工作原理  11-12
    1.4.3 高温固相法合成磷酸亚铁锂  12-13
    1.4.4 磷酸亚铁锂正极材料改性  13-15
  1.5 碳纳米管的制备  15-18
    1.5.1 碳纳米管的合成  16-17
    1.5.2 碳纳米管生长机理  17-18
  1.6 课题的提出及研究内容  18-19
第二章 实验过程  19-26
  2.1 原料和仪器  19-20
  2.2 实验方案  20-23
    2.2.1 氧铁工艺制备LiFePO_4  20-21
    2.2.2 液相碳源CVD合成LiFePO_4/CNF复合正极材料  21-22
    2.2.3 气相碳源CVD合成LiFePO_4/CNT复合正极材料  22-23
  2.3 材料结构与性能表征  23-24
    2.3.1 XRD分析  23
    2.3.2 SEM扫描电镜分析  23-24
    2.3.3 TEM透射电镜分析  24
    2.3.4 TG热重差热分析  24
  2.4 电池的组装与电池性能测试  24-26
    2.4.1 电池正极片的制备  24-25
    2.4.2 扣式电池的装配工艺  25
    2.4.3 电池恒电流充放电性能测试  25-26
第三章 高温固相法合成磷酸亚铁锂  26-31
  3.1 LiFePO_4前躯体的TG-DTA分析  26-27
  3.2 合成LiFePO_4的物相分析  27-28
  3.3 合成LiFePO_4的形貌分析  28-29
  3.4 LiFePO_4电池性能分析  29-31
第四章 原位合成LiFePO_4/CNF、LiFePO_4/CNT复合材料  31-49
  4.1 乙醇作碳源制备LiFePO_4/CNF复合材料  31-35
    4.1.1 温度对沉积CNF影响  31-33
    4.1.2 载体对沉积CNF影响  33-34
    4.1.3 催化剂对沉积CNF影响  34-35
    4.1.4 LiFePO_4/CNF的TEM分析  35
  4.2 环己烷作碳源制备LiFePO_4/CNF复合材料  35-43
    4.2.1 气氛条件对LiFePO_4/CNF复合材料的影响  36-38
    4.2.2 碳源注入速率对LiFePO_4/CNF复合材料的影响  38
    4.2.3 催化剂对LiFePO_4/CNF复合材料的影响  38-40
    4.2.4 升温过程对LiFePO_4/CNF复合材料的影响  40-41
    4.2.5 LiFePO_4/CNF的XRD分析  41
    4.2.6 LiFePO_4/CNF复合正极材料的电池性能研究  41-43
  4.4 乙烯作碳源制备LiFePO_4/CNT复合材料  43-49
    4.4.1 甲烷作碳源  43-44
    4.4.2 乙烯作碳源  44-47
    4.4.3 LiFePO_4/CNT复合正极材料的电池性能研究  47-49
第五章 全文结论  49-50
参考文献  50-54
发表论文和参加科研情况说明  54-55
致谢  55

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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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