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锂离子电池正极材料LiFePO_4及其掺杂物的制备与性能研究

【摘要】:相比目前商业化的锂离子电池正极材料,橄榄石型磷酸铁锂具有充放电性能佳,可逆容量高、循环性能好等众多优点,且铁资源丰富,无毒,对环境无污染,是一种极具竞争力的新型锂离子电池正极材料。本文在综述锂离子电池正极材料磷酸铁锂研究进展的基础上,介绍了其结构、工作原理、制备方法以及目前存在的主要问题。采用固相反应工艺合成磷酸铁锂及其掺杂化合物正极材料,应用X射线衍射和电子扫描显微镜对材料的结构和形貌进行表征,恒电流法和交流阻抗检测材料的电化学性能,系统研究了不同实验条件对材料物理特性和电化学性能的影响。 以FeC_2O_4·2H_2O、Li_2CO_3、NH_4H_2PO_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。x射线衍射分析结果表明,材料具有规则橄榄石型结构,物相单一,无杂质。以合成样品为正极活性物质,组装模拟电池检测材料的电化学性能,结果显示磷酸铁锂正极材料具有良好电化学性能。正交试验结果表明,在众多影响因素中,温度对材料的电化学性能影响最大,然后依次为反应时间、升温速率和铁锂物质的量比。优化条件合成出的样品,在室温以0.1C倍率充放电,第二循环放电比容量高达145.7mAh/g,为其理论容量85.7%,且循环十次比容量基本没有衰减,但高倍率充放电时,材料极化较大,容量衰减较快。 结合晶体学理论基础,本论文进一步考察了Mn~(2+)掺杂对产品性能的影响。研究结果表明材料依然为具有规则橄榄石型结构的单一物相,其中铁和锰以完全固溶体存在于物相中,锰加入量20%时制备的LiFe_(1-x)Mn_xPO_4正极材料表现出最好的电化学性能。优化试验条件合成的LiFe_(0.8)Mn_(0.2)PO_4,室温以0.5C倍率进行充放电测试,首次充放电比容量为136.5/131.7mAh/g,循环50次后容量仍达126.7/126.2mAh/g,循环100次后依然有119.6/118.8mAh/g,放电容量衰减不到10%,可见其循环性能好,可逆容量高。 对比相同条件下合成的LiFePO_4与LiFe_(0.8)Mn_(0.2)PO_4的大倍率电化学性能,后者性能更优,当放电倍率从0.1C提高到0.5C时LiFePO_4平均比容量从142mAh/g降至120mAh/g左右,样品LiFe_(0.8)Mn_(0.2)PO_4由135mAh/降至130mAh/g左右,这一结果表明锰离子掺杂后减少了极化,提高了锂离子在晶体内的扩散能力。文中对LiFePO_4和LiFe_(0.8)Mn_(0.2)PO_4两种材料进行了交流阻抗测试,根据交流阻抗模拟图谱计算Li~+离子的化学

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