鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰的可控合成及其電化學(xué)行為研究.pdf

1、鋰離子電池是一種綠色環(huán)保、自放電小、比能量高、無(wú)記憶的二次電池，具有工作溫度范圍寬、輸出電壓高、安全穩(wěn)定性好，可快速循環(huán)充放電等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、軍事、電子、汽車等領(lǐng)域。在鋰離子電池各部件中，正極材料至關(guān)重要。其中磷酸鐵鋰以其安全性能好、比容量高、循環(huán)性能好及環(huán)境友好、價(jià)格低廉等被認(rèn)為是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池正極材料之一。
　　然而其較低的電導(dǎo)率和鋰離子遷移率限制了其比容量，特別是在高倍率下容量衰減明顯。因此通過(guò)與炭復(fù)

2、合來(lái)提高其電導(dǎo)率和倍率容量，同時(shí)可限制顆粒尺寸，提高鋰離子擴(kuò)散速率。本論文分別通過(guò)炭熱還原法，溶劑熱法和炭模板浸漬法制備出具有不同形貌的磷酸鐵鋰和炭復(fù)合材料，綜合運(yùn)用了X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、N2吸附、熱重(TG)等技術(shù)手段對(duì)所合成材料的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步通過(guò)循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗、循環(huán)和倍率性能等測(cè)試方法系統(tǒng)研究了磷酸鐵鋰和炭復(fù)合材料的電化學(xué)性能。本論文主要包括文獻(xiàn)綜述、實(shí)驗(yàn)和結(jié)

3、論三大部分。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)采用炭熱還原法，以不同形貌和尺寸的氧化鐵為前軀體，以葡萄糖為炭源制備出具有高振實(shí)密度的磷酸鐵鋰和炭復(fù)合材料，其中以賴氨酸合成的氧化鐵為前驅(qū)體制備的LiFePO4/C復(fù)合材料呈現(xiàn)納米多孔形貌，小于100 nm的磷酸鐵鋰顆粒均勻鑲嵌在三維多孔炭導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中，在炭含量小于5％時(shí)復(fù)合材料的放電容量達(dá)132 mA h g-1，經(jīng)100次充放電循環(huán)后容量保持率接近100％。
　　(2)以聚乙

4、二醇(PEG400)和水為共溶劑，抗壞血酸VC為還原劑，經(jīng)溶劑熱法制備磷酸鐵鋰。在PEG和VC的共同作用下，所制備的純相磷酸鐵鋰在0.1C下首次放電比容量最高可達(dá)143.2 mA h g-1，循環(huán)20次后容量保持率為74.4％。VC的加入可防止二價(jià)鐵的氧化，VC含量的變化對(duì)磷酸鐵鋰的晶型和放電容量也具有重要影響。高溫?zé)崽幚砜墒箽埩粼诹姿徼F鋰表面的PEG原位生成炭，避免了由傳統(tǒng)球磨摻炭過(guò)程造成的結(jié)構(gòu)缺陷和炭包覆層不均勻，使材料的充放電可逆

5、容量提高21.2％，循環(huán)30次后容量保持率為97％，庫(kù)侖效率100％。
　　(3)以雙介孔有序介孔炭(BMC)和3D連通的大孔容薄壁炭為支撐和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分散性良好的磷酸鐵鋰納米顆粒，分別制備了具有80％和85.4％高負(fù)載量的LiFePO4/C復(fù)合材料。有序介孔炭特殊的孔結(jié)構(gòu)不僅能夠保證磷酸鐵鋰顆粒的緊密接觸同時(shí)可以起到納米限域作用。進(jìn)一步通過(guò)不同容量計(jì)算方法系統(tǒng)研究了浸漬量和孔結(jié)構(gòu)與其電化學(xué)性能之間的關(guān)系。負(fù)載80％磷酸鐵鋰的復(fù)

6、合材料在0.1 C下放電容量為132.9 mA h g-1，負(fù)載47％磷酸鐵鋰的復(fù)合材料在10C和20 C下仍保持101.5和75.4 mA h g-1的可逆容量。電化學(xué)性能證明較低的磷酸鐵鋰負(fù)載量可以提高活性物質(zhì)利用率和高倍率容量，較高的負(fù)載量保證其具有較高振實(shí)密度和低倍率容量。大孔容薄壁炭負(fù)載85.4％磷酸鐵鋰的復(fù)合材料在0.1，10和20 C下分別放出155.8，116和85.3 mA h g-1的容量，在10C下循環(huán)200次容量