鋰離子電池正極材料LiFePO4的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、橄欖石結(jié)構(gòu)鋰離子電池正極材料LiFePO4由于成本較低,原材料豐富,合成工藝簡單,環(huán)境友好,比容量較高,循環(huán)壽命長等優(yōu)點,在動力和儲能電池方面有著廣闊的市場發(fā)展和應(yīng)用前景。研究表明,物化性能和微觀結(jié)構(gòu)是評價鋰離子電池電極材料的重要依據(jù),本文的切入點即從這兩方面考慮:
　　(1)結(jié)合電化學(xué)表征手段研究材料的微觀結(jié)構(gòu)。
　　(2)以改善LiFePO4固有低電子電導(dǎo)和低離子電導(dǎo)的物理缺陷為切入點,優(yōu)化合成條件,從宏觀上提高材料的電

2、化學(xué)性能。
　　論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)LiFePO4的水熱合成及其微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控;
　　通過調(diào)控起始溶液的pH值,水熱法制備了LiFePO4正極材料。所得材料經(jīng)XRD、Raman表征后,發(fā)現(xiàn)只有在中性和微堿性條件下才能得到純相LiFePO4,經(jīng)過Rietveld全譜擬合我們發(fā)現(xiàn)材料存在一定的化學(xué)缺陷,即Li,Fe位的離子空穴和Li/Fe的混排,而這些缺陷的程度與pn值有密切的關(guān)系,隨著pH值的降低而升高,

3、這與反應(yīng)過程中的活化能有關(guān)。另外,通過SEM形貌分析,材料的形貌也與起始溶液的pH值密切相關(guān)。而后用電化學(xué)測試手段進(jìn)一步將微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)聯(lián)系起來,包括充放電測試容量,及:EIS對法拉第阻抗進(jìn)行分析后證明,離子空穴和Li/Fe混雜會對電化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不利影響,特別是Fe占據(jù)Li位會阻止Li+在LiFePO4晶格中的一維曲線傳播,進(jìn)而使電化學(xué)性能不能得到較好的發(fā)揮。
　　(2)納米尺度碳包覆LiFePO4的制備及電化學(xué)性能;

4、　　以Fe3+鹽為Fe源,在表面活性劑的存在下用沉淀法制備納米尺寸的FePO4前軀體。通過對比實驗發(fā)現(xiàn),表面活性劑的長鏈結(jié)構(gòu)利于有效調(diào)控沉淀的形貌和大小。用所得納米FePO4前軀體制備納米LiFePO4過程中,通過添加碳源的方法制備碳包覆復(fù)合材料從而提高材料電子導(dǎo)電性,用XRD、SEM、TEM等手段分析不同煅燒程序?qū)λ肔iFePO4/C復(fù)合材料物相、形貌、碳層的影響。我們發(fā)現(xiàn)在過高的煅燒溫度下,會因為碳較強的還原性而使LiFePO4材

5、料生成雜質(zhì)相;同時高溫下顆粒的長大和團聚,使碳包覆層被破壞,達(dá)不到提高導(dǎo)電性的作用。只有在合適的煅燒溫度下,碳層厚度均勻且致密,LiFePO4顆粒也不會團聚,不同顆粒之間被碳所連接,可以保證Li+傳輸過程中獲得電子。同時,納米尺寸LiFePO4由于顆粒較小,Li+傳輸路徑短,可以同時保證具有較高的電化學(xué)循環(huán)性能和倍率特性。
　　目前,固相反應(yīng)仍是制備LiFePO4材料的主要手段,但通過液相反應(yīng)制備高性能,一致性好的LiFePO4材