锂离子电池正极材料LiFePO4的制备与掺杂改性研究

作     者：邢彩红 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹高劭

授予年度：2006年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 正极材料 LiFePO4/C材料 阳离子掺杂 F元素掺杂 

摘      要：橄榄石型LiFePO因其价格低廉、对环境友好、循环性能优良、安全性能突出等优点而成为最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池用正极材料。本文采用固相反应法,讨论了制备过程中各工艺参数的影响,总结出最佳制备工艺。结合XRD、SEM、恒电流充放电、CV、和EIS分析LiFePO/C的结构和电化学行为;并且分别探讨了元素V和Ti以及阴离子F掺杂对LiFePO/C材料电化学性能的影响。 本文实验以磷酸铁、氢氧化锂和聚丙烯为原料合成LiFePOC材料。研究表明,使用高温固相法,合成温度以650℃为佳,650℃合成产物,颗粒尺寸小,粒径分布均匀,放电容量最高,且具有良好的循环稳定性。对不同升温速度条件下合成产物的材料电化学性能研究表明,与10℃/min升温的合成产物相比,升温速度为3℃/min的合成产物,材料的颗粒异常长大,呈棒状,平均长度超过2μm,颗粒较大造成极化增大,电化学性能下降。原料球磨对产物性能也有很大的影响,研究发现原料球磨后的合成产物纯度更高,电化学性能更好。碳包覆量分别为3.6%、3.9%和4.3%的产物的电化学性能研究表明,材料的电化学阻抗随碳包覆量的增加明显减小,放电容量有较大的提高,碳包覆量为4.3%的产物,0.1C首次放电容量达到159 mAh/g,1C放电容量为125mAh/g,50周循环内几乎没有衰减。 分别讨论了过渡金属元素V和Ti以及阴离子F掺杂对LiFePO/C材料电化学性能的影响。研究表明,V离子掺杂可以提高材料的电子传导率和锂离子扩散速度,减小电化学极化,从而改善材料的倍率性能和循环稳定性。犹其是掺杂量为3mol%的合成产物电化学性能最佳。1C倍率首次放电容量为136 mAh/g,放电容量随循环升高,第50次循环放电容量达到144 mAh/g。对Ti离子掺杂的研究表明,随Ti离子掺杂量的增加,材料的电化学阻抗不断减小,电荷传输速率提高,Ti离子掺杂提高了材料的放电容量和循环性能。在1mol%、2mol%和4mol%三种掺杂量中,x=0.04的掺杂效果最好,材料的放电容量在循环过程中不断增大,0.5C倍率首次和第50次循环放电容量分别为135mAh/g和145 mAh/g。1C倍率首次和第50次循环放电容量则分别为131 mAh/g和137mAh/g。对F掺杂后材料的电化学性能研究表明,F掺杂能减小电化学阻抗和极化,提高材料的电子传导率和充放电过程的可逆性,有效改善材料的循环性能。LiFePOF/C(x=0.03)材料0.5C倍率容量为138mAh/g,50周循环内没有衰减。