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锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成与性能研究

易惠华  
【摘要】:锂离子电池以其高电压、比能量大、循环寿命长,无污染等优点而得到广泛的应用。提高电池性能和降低电极材料的成本一直是锂离子电池的主要研发方向。正极材料的研究是锂离子二次电池的核心技术之一。我们一般使用具有高插入电位的过渡金属氧化物做为锂离子电池的正极材料,目前研究较多的是层状结构的LiCoO_2、尖晶石结构的LiMn_2O_4、橄榄石型的LiFePO_4以及LiNiO_2。其中橄榄石型的LiFePO_4有望作为大型移动式锂离子蓄电池的正极材料引起了广泛的关注,它作为一种新型的锂离子电池正极材料,具有170mAh/g的理论比容量和约3.4V的电压、资源丰富、成本低、环境友好和安全等优点,但是其导电率低,大电流充放电时容量衰减很快。 本文在综述锂离子电池以及相关材料的基础上,阐述了正极材料LiFePO_4的锂离子脱嵌原理、制备方法、结构、主要存在的问题、电化学性能及国内外的研究现状。 本文以FeC_2O_4·2H_2O、Li_3PO_4、(NH_4)_2HPO_4为原料,球磨活化后在惰性气氛中经高温烧结,合成出磷酸铁锂正极材料。研究了反应温度、时间对合成产物的影响。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及电化学测试等手段分析研究材料的晶体结构、表观形貌、粒径大小,研究结果表明,合成温度、合成时间是影响产物结构和性能的重要因素。合成温度过低,有杂相生成,影响了LiFePO_4的电化学性质;合成温度过高,晶粒长大,比表面积下降,容量减小。该方法所合成的LiFePO_4为单一的橄榄石型晶体结构、晶体较细、粒径分布较均匀,随着合成温度和时间的增加,产物的结构和晶型越趋于完善。其中,600℃下焙烧24h合成出的样品电化学性能最佳。 通过高温固相法合成得到LiFePO_4/C复合材料。经过XRD分析,引入碳元素后的材料仍保持标准的橄榄石结构。采用碳包覆和体相掺杂的方法均能有效提高


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