锂离子电池纳米LiFePO4正极材料的制备及性能研究

作     者：秦显忠 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马烽

授予年度：2015年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 纳米磷酸铁锂 正极材料 控制结晶 

摘      要：橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)被广泛认为是一种极具市场应用前景的锂离子电池正极材料,然而纯净的LiFePO4由于具有低的电子电导率和锂离子扩散系数,以致其高倍率放电性能较差,严重的影响了应用。目前,工业上普遍采用高温固相法制备LiFePO4,但其合成工艺可控性较差、成本高、产品纯度低,电化学性能也不尽人意。本文采用一种新型的合成工艺--“控制结晶-碳热还原法制备了纳米LiFePO4正极材料。该工艺具有合成成本低廉、工艺简单,在一定程度解决了LiFePO4正极材料的高倍率性能差的问题,适合工业化推广首先,通过优化控制结晶工艺制备了纳米磷酸铁(FePO4)前驱体。测试结果表明制备的纳米FePO4前驱体含有2.5个结晶水,颗粒粒径约50nm且粒度分布均匀,预烧后的前驱体分散性较好且表面活性剂的添加没有改变FePO4的晶体结构。然后,以自制的FePO4前驱体、Li2CO3和蔗糖为原料,通过优化碳热还原工艺制备了纳米LiFePO4正极材料。采用粒度分布、比表面积(BET)、扫描电镜(SEM)及X射线衍射(XRD)等分析测试手段对LiFePO4正极材料进行表征,通过充放电测试系统对LiFePO4样品的电化学性能进行检测。结果表明,制备的纳米LiFePO4正极材料属于斜方晶系,具有较好的晶型结构;比表面积为46.82 m2/g;颗粒粒径约为200nm,颗粒分布较为均匀,团聚现象少。电化学性能测试结果表明,纳米LiFePO4正极材料的电导率和锂离子扩散速率均有提高,在0.1C、1C、2C、5C、10C五个倍率下首次放电比容量分别为163.5 mAh/g、152.3 mAh/g、140.65 mAh/g、 132.97 mAh/g和122.19 mAh/g,1C倍率下循环100次后放电比容量仍保持在98%以上。最后,对纳米LiFePO4正极材料进行了离子掺杂改性。研究了掺杂方式、掺杂离子种类和用量等因素对合成纳米LiFePO4结构和性能的影响。采用XRD、SEM和充放电测试等分析测试手段对产品进行表征。结果表明,采用共沉淀法掺杂金属离子V。+且掺杂量为3%制备的LiFePO4样品在5C和10C倍率下首次放电比容量分别为150.8 mAh/g和143.2 mAh/g,与0.1C倍率放电比容量(165 mAh/g)相比,仅分别下降了8.65%和13.2%。