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固相法合成LiFePO_4及其改性研究

【摘要】:目前,橄榄石结构的LiFePO_4作为可充电锂离子二次电池正极材料具有原料来源广泛,对环境友好,尤其是它的安全性能非常突出而备受关注。因此适合用作二次锂离子动力电池正极材料。然而,LiFePO_4的电导率极低(约10~(-10)S/cm),电化学过程受扩散控制,致使其大电流充放电循环过程中容量衰减快,因此为了推进这种材料的应用必须对其进行改性研究,以提高它的电导率和锂离子扩散能力。 本文采用高温固相合成方法制备了橄榄石结构的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,讨论了反应的温度和原料配比对样品性能的影响。 通过碳的包覆的作用机理模型确定了碳的前驱体的选择原则,在此原则的指导下选择了合适的碳的前驱体,对LiFePO_4的电化学性能的改善明显优于其它有机物。 正交实验分析了各个主要因素对LiFePO_4/C复合材料充放性能的影响。找到影响LiFePO_4/C复合材料放电容量的因素依次是焙烧温度、掺杂元素的含量、焙烧时间以及锂铁配比(Li:Fe)。通过分析讨论找到了最佳工艺条件。 通过高温固相合成得到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。当碳元素在复合材料中的含量为5.27%时首次放电容量最大,达到了162.0mAh/g,而且在3C充放电的倍率下依然保持着较高的容量和很好的循环性能。大大超过了同等条件合成的未掺杂的LiFePO_4放电容量;如果碳包覆量太大,容量反而会显著降低。 随着碳含量的增大,所制备的复合材料的体积能量密度和振实密度也会降低,这又是制约其实际应用的一个重要因素。本文分析讨论了各种合成因素对磷酸铁锂体积能量密度的影响,通过提高煅烧温度和选择合适的铁源前驱体都可以使它的振实密度得到大大提高。 利用循环伏安法和交流阻抗方法分析了磷酸铁锂中的锂离子脱嵌过程,分析了各个过程的物理意义并在此基础上找到了与之相匹配的等效电路。实验发现,电荷传递电阻Rct随着嵌入电位的升高而减小。

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