聚阴离子型锂离子电池正极材料的制备及改性

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:TemplarLee
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聚阴离子型正极材料LiFePO4和Li3V2(PO43具有成本低、比容量高、结构稳定、安全性好等优点,被视为最有发展前景的锂离子动力电池正极材料之一。但是两者较低的电子电导率导致其倍率性能较差,严重制约了它们的商品化进程。因此,提高材料的电导率是两者的研究重点。本文利用X射线粉末晶体衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)以及充放电测试等分析手段较为系统的研究了两者的结构、电化学性能及电极动力学行为,并通过改进制备方法、优化工艺条件、包覆导电材料、掺杂金属元素等改性手段提高了其倍率性能及循环性能。研究了水热法制备橄榄石结构LiFePO4的原料配比、水热温度和水热时间对其结构,形貌和电化学性能的影响,优化的工艺条件为Li:Fe:P摩尔比为3:1:1,170?C反应10h。采用EIS技术研究了LiFePO4电极电化学行为,结果表明电极在Li+脱/嵌的初期和末期,高频区电化学的控制步骤是电荷传递,低频区是扩散。为提高材料的电化学性能,分别采用高电导率的多壁碳纳米管(MWCNTs)和PbTe合金对其进行表面修饰。XRD测试结果表明,MWCNTs和PbTe的引入并没有改变LiFePO4的晶体结构。SEM观察发现MWCNTs均匀分散在LiFePO4表面,而PbTe则以小颗粒形式分散于LiFePO4表面。电化学性能测试结果表明MWCNTs和PbTe的引入可以显著提高材料的倍率性能和循环性能,并且最佳引入量均为5mass%。电导率,CV和EIS的研究表明,MWCNTs和PbTe的引入可以提高LiFePO4的电导率及电化学反应的可逆性,降低欧姆电阻Re和电荷传递电阻Rct,从而提高材料的电化学性能。采用溶胶凝胶法制备LiFePO4/C材料,分别考察了蔗糖加入量、烧结温度及烧结时间对其结构和电化学性能的影响,优化的工艺条件为蔗糖加入量60mass%,700℃烧结10h。为进一步提高LiFePO4/C的性能,研究了Al掺杂对其结构,形貌及电化学性能的影响。XRD测试和SEM观察结果表明掺杂材料的晶胞体积收缩,结晶度和粒度的均匀性均有提高。电化学性能测试结果表明掺杂材料的倍率性能和循环性能均有明显提升,掺杂量x=0.01时材料表现出最优的电化学性能。电导率,CV和EIS的研究表明,Al掺杂提高了LiFePO4/C的电导率及电化学反应的可逆性,降低了Re和Rct。电子结构分析表明,Al掺杂通过降低LiFePO4的禁带宽度提高其导电性,并且掺杂体系呈现局部金属性特征。采用溶胶凝胶法制备Li3V2(PO43/C材料,研究了Vc加入量,烧结温度及烧结时间对其结构和电化学性能的影响,优化的工艺条件为Vc加入量20mass%,800℃烧结8h。采用EIS技术研究了Li3V2(PO43/C电极的动力学行为,结果表明在Li+脱/嵌的初期,高频区电化学的控制步骤是电荷传递,低频区是扩散,而在Li+脱/嵌的末期,电极过程动力学则是由电荷传递控制。为进一步提高Li3V2(PO43/C的性能,研究了Zr掺杂对其结构,形貌以及电化学性能的影响。XRD测试和SEM观察结果表明,掺杂材料的结晶度和粒度的均匀性均有提高。电化学性能测试结果表明掺杂材料的倍率性能和循环性能均有明显提升,掺杂量x=0.1时材料表现出最优的电化学性能。电导率,CV和EIS的研究表明,Zr掺杂提高了Li3V2(PO43/C的电导率及锂离子嵌入/脱出反应的可逆性,降低了膜电阻Rsf和电荷传递电阻Rct。电子结构分析表明,Zr掺杂使Li3V2(PO43的禁带宽带变窄,提高了材料的导电性。
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