鋰離子正極材料Li2FeSiO4的合成工藝及摻雜后的電性能研究.pdf

1、不可再生的化石能源在二十一世紀將要開采殆盡，并且開采和利用這些能源也會給環(huán)境帶來巨大的污染，因此以煤炭、石油為代表的傳統(tǒng)化石能源將逐漸被可再生的新型清潔能源所取代。太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源大多具有間歇性的特點，難以直接并入電網(wǎng)而為人們所使用，這就需要借助于能源存儲設(shè)備來進行調(diào)節(jié);另一方面，為減少汽車尾氣對城市大氣的污染，人們開始嘗試用新能源汽車來替代傳統(tǒng)的汽車。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、對環(huán)境無污染等特點，已逐步應(yīng)用

2、于能源存儲設(shè)備和新能源汽車，受到了科研工作者的高度關(guān)注。Li2FeSiO4作為鋰離子電池的正極材料具有理論容量高、工作電壓穩(wěn)定、安全性高、循環(huán)性能好、原料資源豐富等優(yōu)點，被認為是一種具有潛力的正極材料。然而目前制備結(jié)晶純度很高的Li2FeSiO4比較困難，加之材料本身的導(dǎo)電性較差，使得上述優(yōu)良性能難以發(fā)揮出來。綜上所述，本文對Li2FeSiO4的合成工藝條件及摻雜對其電化學(xué)性能的影響進行了初步的探索，具體內(nèi)容如下:
　　第一章在介

3、紹鋰離子電池的原理和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，綜述了鋰離子電池常見的幾種正、負極材料及其優(yōu)缺點，著重闡述了近年來Li2FeSiO4正極材料的結(jié)構(gòu)、合成方法和相關(guān)的改性研究。
　　第二章以XRD圖譜為檢測手段，探索了制各Li2FeSiO4正極材料過程中合成條件對減少雜質(zhì)相的影響。采用溶膠-凝膠-高溫固相法制備出Li2FeSiO4正極材料。制備過程中影響產(chǎn)物晶相純度的實驗條件包括前驅(qū)體的制備條件、燒結(jié)溫度、保護氣氛等。通過改變實驗條件并對比實驗結(jié)果

4、得出最佳的合成工藝為:不添加水、沒有N2保護以及Li∶Fe∶Si的摩爾比為2.1∶1∶1時合成前驅(qū)體材料;前驅(qū)體在管式爐中燒結(jié)時N2氣氛保護、700℃恒溫10小時。在最佳合成工藝條件下，前驅(qū)體中加入一定量的蔗糖可以得到Li2FeSiO4/C復(fù)合材料，材料的XRD圖譜顯示晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，結(jié)晶度也較高;掃描電鏡照片顯示材料顆粒分散均勻，尺寸較小，團聚現(xiàn)象得到明顯的改善，1/32C放電條件下材料的首次放電比容量達到81.7mAh·g-1

5、。
　　第三章對Li2FeSiO4正極材料的體相進行錫摻雜研究并討論了摻雜對材料電化學(xué)性能的影響。Sn2+/Sn4+在充放電過程中理論上能夠提供兩個電子，使得材料容量能夠真正實現(xiàn)部分嵌入/脫出兩個鋰離子的可能。XRD圖譜顯示摻雜后的樣品Li2Fe1-xSnxSiO4/C(x=0.005、0.01、0.03、0.05)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，只有摻雜量在x=0.10的條件下，樣品XRD圖中出現(xiàn)了錫單質(zhì)的雜質(zhì)峰。隨著Sn摻雜含量的增加，摻雜

6、后的樣品首次放電容量出現(xiàn)先增后降的趨勢，其中Li2Fe0.95Sn0.05SiO4/C放電容量最大(114.3mAhg-1)。通過對Li2Fe0.95Sn0.05SiO4/C材料的深入實驗研究，發(fā)現(xiàn)它的形貌較規(guī)整，顆粒均勻，尺寸較小，團聚現(xiàn)象比沒摻雜的樣品有明顯的降低。并且通過循環(huán)伏安和交流阻抗測試，發(fā)現(xiàn)材料的循環(huán)性能和電導(dǎo)率得到很大的改善。
　　在嘗試了錫摻雜之后，本文最后一章研究了部分第三周期過渡金屬(Ti、V、Cr、Mn、C

7、o、Ni、Cu、Zn)對Li2FeSiO4/C材料的改性影響。實驗結(jié)果表明，摻雜后材料的形貌特征均得到了有效的改善，顆粒分散均勻，團聚現(xiàn)象降低。通過對比材料的首次放電容量，發(fā)現(xiàn)摻雜后材料的放電比容量都有所提高，摻雜Mn的材料提高最多，其次是摻雜V的材料。對Li2Fe1-xMnxSiO4/C(x=0.005、0.01、0.05)進行更進一步的研究后發(fā)現(xiàn)摻雜錳后的晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，材料的導(dǎo)電率和首次放電容量均得到有效的提高，只是循環(huán)性能