LiFePO4C极材料的制备及电化学性能研究.docx

西南科技大学硕士研究生论文 西南科技大学硕士研究生论文 第l页 摘 要 LiFeP04是一种新型锂离子电池正极材料，具有能量密度高、成本低、环保和 安全等一系列优点，成为商业化动力锂离子电池的首选正极材料。然而，较低的 锂离子扩散系数和电导率影响了LiFeP04材料的电化学性能。本论文以制备高性能 的LiFeP04为目标，通过高温固相法和碳热还原法制备了LiFeP04材料，利用恒流 充放电、循环伏安、恒电位阶跃和交流阻抗等测试手段，结合TG—DTA、XRD、 SEM、FTIR等分析技术，对材料的物理和电化学性能进行了研究；同时探讨了碳 包覆、金属掺杂及碳包覆．金属掺杂联用对LiFeP04『F极材料电化学性能的影响。 本文以Li2C03、NH4H2P04和FeC2042H20为原料，蔗糖为碳源，氢氧化 镁为金属掺杂源，采用高温固相法合成了纯相LiFeP04、LiFePOa／C、 LiMgxFel一。POa和LiMg,,Fel．。P04／C复合材料。结果表明，碳的加入可以有效改善 材料的电子电导率和减小材料粒径，从而提高材料的放电容量及倍率性能；在 650℃焙烧10h，碳含量为6％为的LiFeP04／C于0．2C倍率下的首次放电比容量达 到135．41mAh／g；通过镁掺杂制备了LiFel．。MgxP04和LiFel一。MgxPOa／C(x=0．01， 0．02，0．03，70．04，0．06，百分摩尔比)正极材料，分别讨论了Mg掺杂量以及Mg． 碳包覆对LiFePOa正极材料性能的影响。结果表明：Mg掺杂方法能明显改善 LiFeP04产物倍率循环性能；采用碳．掺杂双改性方法，不仅提高了的LiFeP04／C 材料放电容量，而且有效提高了LiFeP04／C材料的倍率性能。合成的 LiMgxFel-xPO#C材料，当x=O．02时，0．2C倍率下，首次放电容量达140．80mAh／g， 约为理论容量的82％。 以Fe203为铁源，以蔗糖为还原剂，采用碳热还原法于700。C合成了LiFeP04／C 和LiFeo．98Mo．02POdC(M=Mg和Ti)复合『F极材料，讨论了还原剂用量f35％、17．5％、 1 O％、8．5％和5％，质量分数，相对于纯LiFeP04)及Mg和Ti掺杂对LiFeP04／C材 料的影响。碳热还原法合成的LiFePOa均为单一的橄榄石晶体结构，颗粒均匀细小， 电化学性能优异，含碳8．5％的LiFeP04／C、LiFeo_98Tio．02P04／C和LiFeo．98Mgo．02POdC 材料0．2C倍率下的放电比容量分别为143．32 mAh／g、1 58．63 mgh／g和1 50．82 mAh／g。与高温固相法合成的LiFeP04／C和LiMgxFel-xP04／C相比，碳热还原法合 成LiFeo．98Tio．02POdC材料电化学性能有了显著的提高。 采用恒电位阶跃法和交流阻抗法测定了LiFeP04正极材料在不同荷电状态和 循环次数下的锂离子扩算系数DLi+，结果表明：在LiFeP04放电过程中锂离子扩散 系数随嵌“量的增大呈现先增大后略微降低的规律。通过XRD对循环前后 LiFeP04材料的晶体结构进行了表征，发现LiFeP04材料的晶粒度随循环次数增加 —— —— 堕重型堇盔堂塑主堡窒圭迨窒 篁!!夏 明显细化，这是造成锂离子扩散系数随充放电循环次数的增加而降低的主要原因。 关键词：锂离子电池；LiFeP04；碳包覆；掺杂；固相合成法；碳热还原法：I司相 扩散系数 西南科技大学硕士研究生论文 西南科技大学硕士研究生论文 第1II页 Abstract LiFeP04 is one of the most promising cathode materials of Lithium．ion batteries， especially to the LIB used for EVs and HEVs，due to its relatively large theoretical capacity，abundant raw materials，low cost，environmental friendliness and high safety． However,its power performance is greatly limited by slow diffusion of lithium ions across the two-phase boundary and its lOW electronic conductivity．In this work．solid state reaction synthesis process and themal reduction method were