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锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成与电化学性能研究

高飞  
【摘要】: 随着各种便携式电子产品日益普及,电池作为一种携带方便的电源设备日益受到关注。LiFePO_4作为新一代锂离子电池正极材料,其理论比容量为170mAh·g~(-1),电压平台为3.4V(相对于Li/Li~+),具有价格低廉,环保,热稳定好,安全性高,循环性能优越等优点,被认为是锂离子电池理想的正极材料。 本文以LiFePO_4为研究对象,以提高其电化学性能为主要目的,采用固相法分别合成LiFePO_4,LiFePO_4/C,Li_(1-x+δ)Ti_xFe_(1-y)Mn_yPO_4/C等材料。主要利用XRD,SEM,CV,EIS,电池充放电等测试手段研究了合成工艺条件,碳包覆,体相金属离子掺杂,粒径控制等对LiFePO_4材料性能的影响。在此基础上对LiFePO_4/C材料的扩散系数和电荷转移电阻等动力学过程参数进行了研究。 研究表明,合成温度对产物的形貌、结晶度均有影响,最佳合成温度为650℃。通过不同掺碳量对LiFePO_4/C材料的放电性能及振实密度影响的研究,最优化的碳含量应控制在3-5 wt.%。 利用改进的三段高温煅烧固相法合成LiFePO_4/C材料,相对于两步高温煅烧固相法合成的相同含碳量的材料(共加入6wt.%葡萄糖),三步煅烧法合成材料的振实密度较高,达到了1.35 g·cm~(-3);0.2C首次放电比容量达到135.8 mAh·g~(-1),0.2C循环20次容量保持99.4%;5C放电比容量达到129.8mAh·g-1,5C循环20次,容量仍保持99.4%,即每个循环损失容量约0.03%。 LiFePO_4/C材料进行体相掺杂并制备相应的Li_(1-x+δ)Ti_xFe_(1-y)Mn_yPO_4/C复合材料。XRD分析结果显示,掺杂后的样品属于单一的橄榄石型晶体结构,没有明显的杂质峰,少量的Ti和Mn离子进入晶格,晶型完整、单一,掺杂不会改变LiFePO_4的晶型结构。Ti、Mn的掺杂达到比较好的效果。 有效控制LiFePO_4的粒子尺寸是改善LiFePO_4中Li~+的扩散能力的关键。利用机械球磨12h和气流粉碎方式均能得到粒径均匀的LiFePO_4材料,并具有良好的倍率放电性能和循环性能。


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