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锂离子电池正极材料LiFePO4的合成及电化学性能研究

作 者: 齐婷婷
导 师: 江元汝
学 校: 西安建筑科技大学
专 业: 应用化学
关键词: LiFePO4 正极材料 共沉淀法 改性 锂离子电池
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


锂离子电池充放电容量高,循环性能好,自放电率极低和环境友好型等优点广泛应用于各类电子产品中。磷酸铁锂则具有原料来源广泛、价格低廉、热稳定性好、循环性能好、安全性能突出等优点成为最具潜力的锂离子电池的正极材料之一。然而,锂离子电池电导率低和离子扩散系数低以及材料的堆积密度小限制了其大规模使用。提高磷酸铁锂电化学性能的方法主要有改进合成方法得到颗粒小且分布均匀的产物和通过掺杂元素提高材料的导电性。本论文通过液相共沉淀法制备锂离子电池的正极材料磷酸铁锂,采用X-射线晶体衍射分析(XRD)、扫描电镜显微镜(SEM)、电化学工作站等手段对样品进行分析。探讨采用不同铁源、掺杂不同的碳源碳量以及烧结温度、时间等合成条件对电化学性能的影响,取得以下试验结果。FeSO4、Fe(NH42(SO42、FeC2O4这三种不同铁源在适宜条件下制备的LiFePO4都纯度较高,结晶度好,表征结果说明Fe(NH42(SO42是较理想的铁源,首次放电容量为68mAh·g-1。比较了不同的碳前驱体掺杂的效果,得到添加少量碳可使样品的颗粒分布更加均匀,增大样品的比表面积,提高样品的电化学性能。随着掺碳量的增加,样品的充放电容量会经历先升后降的过程。实验结果表明葡萄糖是较好的碳源,具有较高的比容量和较优良的充放电性能。烧结温度和时间对材料的形貌和电化学性能有较大的影响,烧结温度过低,样品的颗粒较小并部分含有杂质;烧结温度过高,样品的颗粒会出现团聚现象且充放电容量降低。烧结时间过短,样品的颗粒形状会无规则;烧结时间过长,则完整的晶粒会重新熔融在一起,使样品的颗粒尺寸有所增大。通过对不同碳源(葡萄糖、蔗糖和乙炔黑)、掺碳量、以及烧结时间和温度条件的研究发现,使用葡萄糖作为碳源,掺杂5%,在650℃下烧结10 h制得的样品综合性能较好。常温常压下,以0.1C充放电倍率进行测试,样品首次充放电容量为160.2mAh·g-1,经20次循环后,容量仍能达到150mAh·g-1以上。得到的实验结果表明,不同的铁源、碳源及烧结条件制备的磷酸铁锂样品都具有3.4V左右的放电电压平台,说明锂离子电池工作电压高,在电子元件应用方面具有良好的前景。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
1 文献综述  10-28
  1.1 引言  10-11
  1.2 锂离子电池概况  11-15
    1.2.1 锂离子电池发展历史  11-12
    1.2.2 锂离子电池的性能特点  12
    1.2.3 锂离子电池的种类和工作原理  12-14
    1.2.4 负极材料和电解液体系的概况  14-15
  1.3 锂离子电池正极材料的研究概况  15-19
    1.3.1 钴系正极材料  15-17
    1.3.2 镍系正极材料  17
    1.3.3 锰系正极材料  17-19
  1.4 LiFePO_4锂离子电池正极材料  19-27
    1.4.1 LiFePO_4正极材料的结构和锂离子迁移机制  19-21
    1.4.2 LiFePO_4正极材料的电化学性能  21-22
    1.4.3 LiFePO_4正极材料的合成制备  22-25
    1.4.4 LiFePO_4正极材料的改性  25-26
    1.4.5 LiFePO_4的发展前景  26-27
  1.5 论文选题的意义和研究内容  27-28
2 实验原材料、设备及测试方式  28-32
  2.1 实验原材料  28-29
  2.2 实验设备  29
  2.3 制备方法  29-30
  2.4 电池组装  30
    2.4.1 正极片的制备  30
    2.4.2 电池组装  30
  2.5 测试与表征  30-32
    2.5.1 X-射线晶体衍射分析(XRD)  30-31
    2.5.2 扫描电镜显微镜(SEM)  31
    2.5.3 电化学性能测试  31
    2.5.4 交流阻抗测试  31-32
3 铁源对共沉淀法制备的LiFePO_4的性能影响研究  32-40
  3.1 引言  32
  3.2 正极材料的制备  32-33
  3.3 XRD表征及结果分析  33-34
  3.4 SEM表征及结果分析  34-38
    3.4.1 不同铁源LiFePO_4材料的充放电曲线测试  36-37
    3.4.2 不同铁源LiFePO_4材料的交流阻抗研究  37-38
  3.5 本章小结  38-40
4 碳源碳量对LiFePO_4/C的性能影响研究  40-53
  4.1 引言  40
  4.2 正极材料的制备  40-41
  4.3 不同碳源对LiFePO_4/C的物相结构的影响  41-44
    4.3.1 XRD表征及结果分析  41-42
    4.3.2 SEM表征及结果分析  42-44
  4.4 不同碳源对LiFePO_4/C材料的电化学性能的影响  44-47
    4.4.1 充放电曲线测试  44-46
    4.4.2 交流阻抗研究  46-47
  4.5 不同碳量对LiFePO_4/C材料的物相结构的影响  47-48
    4.5.1 XRD表征及结果分析  47-48
    4.5.2 SEM表征及结果分析  48
  4.6 不同碳量对LiFePO_4/C材料的电化学性能的影响  48-52
    4.6.1 充放电曲线测试  48-50
    4.6.2 交流阻抗研究  50-51
    4.6.3 循环伏安测试  51-52
  4.7 本章小结  52-53
5 制备条件对LiFePO_4/C的性能影响研究  53-63
  5.1 引言  53
  5.2 正极材料的制备  53-54
  5.3 烧结温度对LiFePO_4/C的影响  54-58
    5.3.1 XRD表征及结果分析  54-55
    5.3.2 SEM表征及结果分析  55-57
    5.3.3 充放电曲线测试  57-58
  5.4 烧结时间对其影响  58-62
    5.4.1 XRD表征及结果分析  58-59
    5.4.2 SEM表征及结果分析  59-61
    5.4.3 充放电曲线测试  61-62
  5.5 本章小结  62-63
6 结论  63-65
在学研究成果  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-71

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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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