锂离子电池正极材料LiFePO4的水热合成、形貌控制及电化学性能研究
磷酸铁锂是正交晶系的橄榄石结构。自从Goodenough在1997年对其进行报道后，磷酸铁锂受到了人们极大的关注。磷酸铁锂具有较高的理论比容量、循环稳定性好、充放电电压平台平稳、工作电压高、资源丰富、价格低廉、对环境无污染等优点，被认为是最具有前景的锂离子电池正极材料之一。然而磷酸铁锂存在导电率低和锂离子扩散速率低的缺点，严重阻碍了其在市场上的应用。在目前的研究中通常采用包覆导电剂、掺杂金属离子、减小颗粒尺寸等方法解决以上问题，从而提高磷酸铁锂的电化学性能。本论文拟合成纳米结构组装构成的多孔磷酸铁锂微米球并对其进行碳包覆，研究其电化学性能。
本论文首先使用两步法合成磷酸铁锂，即用磷酸二氢铵和九水硝酸铁水热合成磷酸铁，再和锂源、碳源混合固相合成磷酸铁锂/碳复合材料。本实验重点讨论了水热反应中反应温度、时间、乙二胺、有机溶剂对磷酸铁结构及形貌的影响。实验结果显示，在150℃、8h或者180℃、5h，并且添加乙二胺的条件下得到的形貌是纳米片组装构成的具有多孔结构的花状微米球;在150℃、8h或者180℃、5h，不添加乙二胺的条件下得到的形貌是纳米颗粒组装构成的具有多孔结构的微米球。进一步的研究表明四组条件制备出的磷酸铁含有氧化铁杂质，导致在合成磷酸铁锂的过程中产生了铁单质。铁单质的存在严重阻碍了锂离子的传输，使得四组磷酸铁锂材料的比容量都不足30mAh/g。
从上述结果我们认识到两步法会使得合成的磷酸铁锂中含有杂质，因此本论文设计用水热法一步合成磷酸铁锂/碳复合材料。本实验主要探索了水热反应的温度、时间、水/乙二醇比对磷酸铁锂形貌和结构的影响。实验结果显示，在200℃反应6h，并且水/乙二醇的体积比为1∶1时，磷酸铁锂的形貌最规则并且尺寸均一;反应的样品在70℃热处理2h后得到了杂相很少的磷酸铁锂。循环伏安曲线表明，磷酸铁锂的氧化峰出现在3.62V左右，而还原峰出现在3.27V左右。循环稳定性数据显示未包覆碳的磷酸铁锂的首圈充电比容量只有14.2mAh/g，但是包覆碳之后，磷酸铁锂/碳复合材料的充电比容量在50圈之后仍有85.2mAh/g，并且库伦效率在第二圈之后高达96.1％以上。所以在表面包覆碳有利于磷酸铁锂电化学性能的提高。
因此，相比两步法，一步法更容易控制合成材料的纯度，使得合成的磷酸铁锂/碳复合材料的电化学性能有了大幅提高。
锂离子电池;磷酸铁锂;多孔微米球;碳包覆;电化学性能
武汉理工大学
硕士
材料物理与化学
苏宝连;李昱
2013
中文
TM912
70
2013-11-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）