新型鋰離子電池正極材料LiFePO-,4--C的合成與摻雜改性研究.pdf

1、具有橄欖石型結(jié)構(gòu)的LiFePO<,4>因其價格低廉、對環(huán)境友好、循環(huán)性能優(yōu)良、安全性能突出等優(yōu)點而成為最具開發(fā)和應(yīng)用潛力的新一代鋰離子電池正極材料。然而，LiFePO<,4>正極材料由于本身固有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其電子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散速率極低；另外，由于材料振實密度低而導(dǎo)致體積比容量過低。這些問題的存在嚴(yán)重影響了該材料的實用化進(jìn)程。 本文分別采用一步固相法和熔鹽法制備了LiFePO<,4>/C正極復(fù)合材料，對上述問題進(jìn)行了有益探索。通過X

2、RD、SEM、FTIR、EDS、DSC、TG以及粒度分析等手段對制備的正極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌表征和物理定性分析研究，并結(jié)合恒流充放電、電化學(xué)阻抗譜(EIS)等測試手段分析LiFePO<,4>/C正極復(fù)合材料的電化學(xué)行為。 本實驗首先采用一步固相法合成原位碳包覆的LiFePO<,4>/C正極復(fù)合材料。研究了焙燒溫度和焙燒時間對合成LiFePO<,4>/C正極復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，在700℃-20h條件下制得

3、材料的電化學(xué)性能最佳，電流密度為0.3mA/cm<'2>時的放電比容量可達(dá)133mAh/g。 在確定一步固相法最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，摻雜少量高價金屬氧化物(ZrO<,2>、TiO<,2>)進(jìn)行改性，以提高正極材料的充放電性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在Li<,1-x>Zr<,x>FePO<,4>/C(x=0.005，0.01，0.02，0.03)正極復(fù)合材料中，當(dāng)x=0.01時摻雜效果最佳，在電流密度為0.3mA/cm<'2>的條

4、件下，放電比容量為145mAh/g;而在Li<,1-x>Ti<,x>FePO<,4>/C(x=0.005，0.01，0.02，0.03)正極復(fù)合材料中，當(dāng)x=0.02時達(dá)到最佳摻雜效果。0.3mA/cm<'2>電流密度下的放電比容量高達(dá)152mAh/g；當(dāng)電流密度提高到0.5mA/cm<'2>后，放電比容量仍高達(dá)146mAh/g；且交流阻抗值由未摻雜前的260Ω降至90Ω，說明摻雜后材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電荷傳輸速率均有很大改善。就摻雜效果

5、而言，TiO<,2>的摻雜要略優(yōu)于ZrO<,2>，這說明金屬陽離子的摻雜除了與價態(tài)有關(guān)外，離子半徑也是重要的考慮因素。價態(tài)高半徑小的金屬陽離子摻雜對穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)，提高其電化學(xué)性能更為有利。 將熔鹽法引入LiFePO<,4>/C正極復(fù)合材料的制備。熔鹽熔化提供的液相環(huán)境可以大大提高反應(yīng)反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時間。通過對熔鹽加入量和焙燒時間的優(yōu)化，確定在焙燒溫度680℃，熔鹽量N=2，焙燒時間3h條件下，制備的LiFePO<,4>/C正