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锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成与改性研究

张新龙  
【摘要】:随着能源与环境问题的日益突出以及现代科技的快速发展,对电池的性能提出了更高的要求。锂离子电池以其工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应和“绿色”环保等优点而成为可移动电源的首选。进一步提高电池性能和降低电极材料成本是锂离子电池发展和改进的主要方向。本文在详细评述了锂离子电池及其正极材料研究进展的基础上,选取橄榄石结构的LiFePO_4为研究对象,对其合成和改性进行了详细研究。 采用固相合成方法制备了LiFePO_4,研究了合成条件对LiFePO_4物理性能及其电化学性能的影响,讨论了反应的温度、时间、掺杂物质的种类以及掺杂物质的量对材料性能的影响,以正交实验确定了最佳反应条件。 采用了DTA和XRD对产物进行了分析。采用了掺杂金属离子和包覆碳的方法来提高LiFePO_4的电化学性能。研究表明,掺杂金属镁离子的效果最为理想,首次放电容量达到120mAh/g;在包覆碳的材料中,蔗糖的效果最为理想,最高的放电容量可达到147mAh/g,且循环容量基本没有衰减,碳含量只占3.06%。 首次使用了微波合成LiFePO_4,在30分钟即可以完成反应。研究表明,微波合成样品的粒度较小,掺杂蔗糖的样品首次放电容量达到了124mAh/g,循环性能良好。 采用了粉末微电极循环伏安和交流阻抗技术对LiFePO_4嵌锂动力学进行了研究。研究表明当扫描速度小于10mV/s时,峰电流与扫描速度的二分之一次方成正比。利用交流阻抗方法测定扩散系数在10~(13)cm~2s~(-1)左右,随着嵌入电位的升高,扩散系数先减小后增大。


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