固相法制備LiFePO4-C復(fù)合材料及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、橄欖石型LiFePO4具有價格低廉、安全性能突出、循環(huán)性能優(yōu)良、綠色環(huán)保等優(yōu)點,成為目前最具應(yīng)用潛力的新一代鋰離子電池用正極材料。大量實驗表明,具有橄欖石型結(jié)構(gòu)的純相LiFePOa電化學(xué)性能比較差,特別是在大電流充放電過程中的電容量較低,循環(huán)性能較差。其原因是由于界面上鋰離子的擴散速度太慢,只有在非常小的電流密度或提高溫度的條件下才能達到它的理論容量。因此,往往通過對LiFePO4進行導(dǎo)電物質(zhì)的包覆和金屬離子的摻雜等方法對其改性,以提高

2、其電導(dǎo)率和循環(huán)性能。碳包覆層能夠控制LiFePO4粉體顆粒的大小,抑制其生長,有助于其電化學(xué)性能的提高;對LiFePO4進行金屬離子摻雜,能夠改變LiFePO4粉體的晶體結(jié)構(gòu),增加晶格缺陷,提高LiFePO4的內(nèi)部電導(dǎo),改善LiFePO4的充放電比容量及循環(huán)性能。
　　 本文在介紹了目前國內(nèi)外利用固相法制備鋰離子電池正極材料LiFePO4研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,說明了LiFePO4粉體在碳包覆及摻雜離子改性方面的最新研究成果,指出了該

3、材料領(lǐng)域目前存在的問題并展望了其發(fā)展趨勢。本論文以廉價的Fe2O3為鐵源,采用固相法制備了LiFePO4/C復(fù)合材料,同時研究了碳包覆含量、摻雜金屬離子的比例以及不同金屬離子摻雜對LiFePO4/C的結(jié)構(gòu)、形貌以及電化學(xué)性能的影響。
　　 以Fe2O3為鐵源,采用高溫固相法制備了Y3+摻雜的LiFePO4/C復(fù)合材料。利用TG-DSC、XRD、SEM等手段對材料的合成反應(yīng)歷程、粉體顆粒形貌進行了分析,并通過恒電流充放電對樣品的電

4、化學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明:Fe3+在300-550℃間被還原為Fe2+,經(jīng)過650℃煅燒后,形成晶型單一的橄欖石結(jié)構(gòu)晶體。LiFe0.98Y0.02PO4/C樣品在0.2C倍率下的首次放電比容量達到了151.6mA·h/g。
　　 以Fe2O3為鐵源,采用高溫固相法制備了碳包覆的LiFePO4/C復(fù)合粉體。通過XRD、SEM、恒電流充放電等測試手段對LiFePO4/C的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電化學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明:碳包

5、覆并未引起LiFePO4結(jié)構(gòu)類型發(fā)生變化;在碳含量為10%時,電化學(xué)性能達到最佳,在0.2C倍率下放電時,首次放電比容量達到144.6mA·h/g,經(jīng)過30次循環(huán)后比容量仍保持有131.4mA·h/g,容量保持率為91%。
　　 以Fe2O3、Li2CO3和MhH2PO4為主要原料,采用高溫固相法制備了Co2+摻雜的LiFePO4/C復(fù)合粉體。通過XRD、SEM、恒電流充放電等測試手段對LiFePO4的晶體結(jié)構(gòu)及LiFePO4/

6、C的微觀形貌和電化學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明:Co2+的摻雜并未引起LiFePO4結(jié)構(gòu)類型發(fā)生變化,隨著Co2+摻雜量的增加,晶胞體積發(fā)生變化,并在x=0.04時達到最大值,同時LiFe0.96Co0.04PO4/C的電化學(xué)性能也達到最佳,在1C倍率下放電時,首次放電比容量達到138.5mA·h/g,經(jīng)過30次循環(huán)后比容量仍保持有127.7mA·h/g,容量保持率為92.2%。
　　 選用Li2CO3、NH4H2PO4、Fe2O

7、3、MgO、NiO、Co(CH3COO)2·4H2O和SrCO3為原料,制備了LiFe0.98M0.02PO4/C復(fù)合材料(M=Mg、Ni、Co、Sr)。結(jié)果表明:金屬離子的摻雜不會引起結(jié)構(gòu)和形貌的變化。晶胞體積的增大,有利于Li+的擴散,可以提高樣品的電化學(xué)性能。采用Ni2+離子摻雜后,在0.2C和1C倍率下首次放電比容量分別達到了156.6mA·h/g和149.4mA·h/g;經(jīng)過30次循環(huán)后容量保有率分別為98.8%和97.2%。