锂离子电池正极材料LiFePO4的制备和改性研究

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橄榄石型LiFePO4作为锂电池正极材料,具有原料来源广泛、价格低廉、无环境污染、热稳定性好、电池安全性能高等优点,但是LiFePO4存在电导率差、振实密度低、锂离子扩散系数小等缺点,影响了它的实用化。本文旨在通过掺杂、金属粒子包覆和碳包覆等方法提高其电导率,从而改善其电化学性能。本文第三章以LiOH·H2O,FePO4·4H2O,(CH3COO)2Ni·4H2O和沥青为原料,通过两步固相反应法合成了碳包覆和金属离子掺杂的橄榄石型LiFe1-xNixPO4/C(x =0,0.01,0.02,0.03,0.04)正极材料。透射电镜观察发现,LiFePO4颗粒表面附着无定形碳层,且碳层在颗粒之间形成连通网络。当Ni离子掺杂量较小时,合成的LiFePO4颗粒呈球状。当掺杂量增加时,产物中出现球形和片状两种形貌。电化学测试表明,650℃下烧结,掺杂1 mol.%Ni的LiFeNiPO4/C具有较佳的电化学性能。在0.1 C放电倍率下,LiFe0.99Ni0.01PO4/C的首次放电容量为150 mAhg-1,首次库仑效率达到了94.7%。同时也具有较好的倍率放电性能,1C放电倍率时仍保持132 mAhg-1的放电容量,循环100次后容量保持率为100%。本文还对Ni及C的作用机理进行了讨论。第四章研究了Ag和Ag+C共包覆LiFePO4材料的结构形貌和电化学性能。在以固相法制备的LiFePO4基础上,采用葡萄糖还原AgNO3法制得了Ag和Ag+C共包覆的LiFePO4复合材料。扫描电镜观察发现,碳银共修饰的LiFePO4复合材料颗粒表面更光滑,颗粒尺寸更均匀。电化学测试结果表明,Ag包覆材料的首次放电容量由80 mAhg-1提高到121 mAhg-1;而碳银共修饰LiFePO4/(Ag+C)材料的放电容量达到132 mAhg-1,且具有更好的循环性能。研究发现,Ag包覆大幅度降低了LiFePO4材料的电阻,电极的电荷转移电阻由253.5Ω降低到了54.8Ω。在实验基础上,对Ag的作用机理进行了初步讨论。第五章在固相法合成的LiFePO4的基础上,以Ni(NO3)2·6H2O、NH4HCO3为反应物,通过化学沉淀和还原法合成了LiFePO4/Ni复合材料。透射电镜观察发现LiFePO4颗粒表面负载有Ni、NiFe2P等纳米晶。电化学测试表明,这些表面纳米级颗粒的存在有效地提高LiFePO4的首次放电容量,减少电极的阻抗,提高材料的电导率。同时研究了Ni、C共修饰对材料物理与电化学性能的影响,并对其影响机制进行了分析。
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