基于高能量密度LiCoPO4正极材料的研究

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LiCoPO4作为正极材料,用于制备的电池理论放电比容量高达167mAh/g,放电平台接近4.8V,能量密度高达802Wh/Kg,被称为未来高压高容量电池领域最有发展前途的正极材料之一。但因该材料本身固有的锂离子扩散迁移运动困难和电子导电性能差,一般方法制备得到的LiCoPO4材料的电化学活性较低,制约了其在实际应用方面的进一步发展。本论文使用新颖的水热合成技术制备高能量密度x%LiFePO4/LiCoPO4正极材料。研究中,通过对合成过程中各项参数对获得材料物相和形貌的分析,改变合成过程中的关键控制手段,包括反应时间、反应温度、LiFePO4含量等手段,制备出一系列不同的x%LiFeP04/LiCoP04(x=0, 5,10,15)粉体。然后使用XRD、SEM等分析手段对这些x%LiFePO4/LiCoPO4样品进行分析表征,进一步优化合成LiCoPO4的制备工艺,对获得材料的电化学性能进行测试,最终获得了高能量密度x%LiFePO4/LiCoPO4正极材料。研究中发现,微波溶剂热法可以获得纳米尺寸磷酸铁锂晶种。合成磷酸铁锂晶种的最佳条件为反应温度140℃,反应时间1Omin。实验所得纯相的磷酸铁锂晶种,粒径分布曲线呈正态分布趋势,颗粒大小分布均匀,为30~80nm颗粒。在水热合成磷酸钴锂的过程中,不加入纳米LiFePO4,获得纯相磷酸钴锂的较适宜条件为220℃/12h; LiCoPO4的颗粒大小范围在0.2um~1.5um之间;电化学性能测试表明,0.1C下,磷酸钻锂的克容量为56.4mAh/g,能量密度为328.4Wh/Kg, 50次循环后容量保持率为44.6%。添加磷酸铁锂晶种,获得纯相磷酸钴锂的较适宜条件为180℃/8h。磷酸铁锂的加入降低了磷酸钴锂的合成温度,缩短了磷酸钴锂的合成时间,有利于纯相磷酸钴锂的合成。x%LiFeP04/LiCoP04(x=5,10, 15)的颗粒大小范围在0.7um~1um之间。电化学性能测试结果表明,含有10%磷酸铁锂的复合材料,具有最佳的电化学性能。其比容量为133.2mAh/g,50次循环后容量保持率82.7%,能量密度为628.4Wh/Kg。相比于一般方法制备的磷酸钴锂材料,能量密度提高了90%,比现有磷酸铁锂能量密度高出了19%,有望今后在动力电池领域得到广泛应用。
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