新型锂离子电池正极材料LiFePO_4/C的合成及其改性研究

【摘要】：锂离子电池正朝着高能量密度、高安全性、高电化学性能的方向发展,目前研究主要集中在电极材料、电解液、隔膜和相关工艺上。LiFePO_4结构稳定、资源丰富,安全性能好、无毒对环境友好,且理论容量高达170mAh/g。一系列研究表明LiFePO_4已经成为最有前途的锂离子电池正极材料之一。但LiFePO_4存在致命的缺点,那就是LiFePO_4的电子导电率和锂离子扩散速度低,另外LiFePO_4本身密度小,导致体积能量密度低,影响该材料的实用化。目前用来提高LiFePO_4电化学性能的方法主要有三种:改进合成方法得到颗粒小且分布均匀的产物;掺杂导电剂,主要是掺杂碳或者金属粉末;掺杂金属离子,从本质上提高材料的导电性。 本文从掺杂导电剂的思想上入手,以蔗糖为碳源,采用固相法一步焙烧制得LiFePO_4/C材料,采用TG/DTA、XRD、EA(元素分析)、SEM、CV(循环伏安)等手段对材料进行表征,在不同条件下测试了材料的电化学性能。结果表明,650℃下焙烧24h得到的样品表现出较好的电化学性能,10mA/g的电流密度下首次放电容量为125mAh/g,100mA/g的电流密度下,首次放电容量为100mAh/g。 流变相法已经成功地用于合成锂离子电池电极材料,如尖晶石LiMn_2O_4、层状LiMnO_2、LiNiO_2、ZnCO_2O_4等。这里我们采用流变相法合成出了LiFePO_4/C正极材料,同时引入了一种新的碳源—柠檬酸。材料表现出较好的电化学性能,尤其是高倍率性能,10mA/g的电流密度下,首次放电比容量为121mAh/g,10圈之后容量为135mAh/g;100mA/g的电流密度下,首次放电容量为110mAh/g,100圈之后容量仍高于100mAh/g,说明碳掺杂能有效的改进材料的电导率,同时研究了材料在55℃下的电化学性能。结果表明,与固相法相比,流变相法焙烧温度低、时间短,为合成掺碳LiFePO_4提供了一种新方法。 LiFe_(1-x)Mn_xPO_4充放电过程中包含两个区域,一个在4.0-4.1V,另一个在3.5-3.6V,分别对应于Mn~(3+)/Mn~(2+)和Fe~(3+)/Fe~(2+)电对相对锂的电极电势,因此可以作为4V正极材料使用。本章采用流变相法合成出了一系列LiFe_(1-x)Mn_xPO_4/C材料。结果表明,X=0.6时材料表现出较好的电化学性能,但容量偏低,有待进一步优化合成条件,提高其电化学性能。 最后,采用差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)初步探讨了几种