磷酸铁锂-氮掺杂碳复合材料的制备和性能研究
磷酸铁锂(LFP)有两个缺点制约了其在工业上的应用,一是其电子导电率低,大约为10-9～10-11S·cm-1;二是其锂离子扩散效率低,10-11～10-13cm2·S-1。磷酸铁锂的电子及离子导电率低将会导致其容量倍率小和使用率低,如何克服这些缺点成为了主要的研究内容。近几年来,有不少研究者致力于解决上述缺点的研究,包括掺杂导电材料,如:碳、掺杂金属离子、减小颗粒尺寸并使其均匀分散等。在这些改性方法中,在材料中掺杂或者包覆碳材料对于提高材料的电子导电性和离子扩散率最为有效。然而,仅仅依靠单纯的掺杂或者包覆碳材料不能得到具有理想性能的磷酸铁锂材料。在高充电/放电倍率下,电极表面电荷的不均匀分布将会使活性物质的应用效率大幅度降低导致比容量降低。为解决这一问题,有研究者报道了在磷酸铁锂表面上沉积碳和氮元素,氮掺杂碳可以形成一个优秀的连续电子导电层,从而使材料的放电比容量、循环性能及倍率性都能得到有效的提高。 本论文主要以磷酸铁、碳酸锂作为合成原料,葡萄糖作为碳源,采用简单可控的碳热还原一步法合成LFP材料,本论文进行的研究及结论如下: 葡萄糖用量为40％(理论合成LFP质量)合成的样品放电比容量较高,该样品在0.1C充放电倍率下放电比容量为147.1mAh·g-1;在此葡萄糖用量的基础上通过多组对比实验得出碳热还原法较佳的合成工艺是先350℃保温2h后在700℃保温6h。经该合成工艺制备的样品在0.1C、0.2 C、0.5 C、1C、2C、5C倍率下的放电比容量分别为149.1mAh·g-1、148.5mAh·g-1、138.0mAh·g-1、133.1mAh·g-1、117.5mAh·g-1、99.7mAh·g-1; 分别以尿素、三聚氰胺、聚苯胺、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等氮含量丰富的有机物在较佳合成工艺参数下合成LFP-氮掺杂碳复合材料。XPS结果表明合成的样品中确实含有氮、碳元素;通过表征及电化学测试表明加入PVP合成的样品性能较好,该样品在0.1C、0.2 C、0.5 C、1C、2C及5C倍率下的首次放电比容量分别为:155.5mAh·g-1、151.4mAh·g-1、140.1mAh·g-1、133.9mAh·g-1、119.5mAh·g-1及107.6mAh·g-1; 通过多组对比实验探讨PVP用量对材料性能的影响。结果表明,PVP的加入能提高材料的性能,当PVP加入量为30％时合成的样品性能较好,该样品在0.1C、0.2 C、0.5 C、1C、2C、5C倍率下的放电比容量分别为160.8mAh·g-1、154.5mAh·g-1、144.5mAh·g-1、141.3 mAh·g-1、127.2mAh·g-1、116.1mAh·g-1,在0.1C倍率下的放电比容最高可以达到165.1mAh·g-1,具有很好的循环稳定性及倍率性能。
导电材料;磷酸铁锂;氮元素;碳元素;制备工艺;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料工程
贾梦秋;周至勇
2016
中文
TM242;TM205.1
86
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）