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锂离子电池作为一种储能装置目前已被广泛用于小型仪器仪表等电器设备。锂离子电池具备质量轻,能量密度高,循环寿命长,清洁无污染等诸多优点而成为产业界和学术界的研究热点,是下一代电动汽车理想的动力电源。但是目前锂离子电池依然存在安全性不高,高低温性能差异大,容量衰减等诸多问题。正极材料作为锂离子电池的有机组成部分在锂离子电池中起着重要的作用,也是目前限制锂离子电池容量的首要因素,因此正极材料的研发与应用在提高锂离子电池容量方面起着关键作用。磷酸铁锂在1997年被Padhi报道可以作为一种正极材料应用于锂离子电池。但是磷酸铁锂比较低的电导率和锂离子扩散系数限制了磷酸铁锂的广泛应用。十几年来人们利用碳包覆,粒子纳米化,掺杂等手段对磷酸铁锂进行了大量的改性研究。其中碳包覆作为一种常用的改性方法可以提高材料的电导率,同时通过适当的调整试验参数还可以起到抑制粒子过度生长的作用。但是不同的制备方法得到的碳在结构特征,导电性能等方面存在较大差异,成为材料最终电化学性能的重要影响因素。本研究在借鉴前人研究结果的基础上重点考察多孔碳作为导电剂在碳源,多孔性结构等因素对磷酸铁锂的合成,结构和电化学性能的影响。
第一章主要概括锂离子电池概念的起源以及发展历史,对锂离子电池的构成,工作原理等进行了介绍,对其中的组成部件如正负极材料,电解液,隔膜等进行了较为详细的阐述。尤其是正极材料作为锂离子发生电化学反应的重要场所在锂离子电池中起着至关重要的作用,我们对这一部分的发展历史,现阶段常用的材料及其主要优缺点,目前学术界的研究热点等进行了比较详细的介绍。在第一章的末尾我们详细介绍了磷酸铁锂的近十几年来的研究进展,包括磷酸铁锂的结构和目前对充放电机理的认识,主要的合成和表征方法,常用的改性手段及其优缺点。最后我们针对目前碳包覆改性方法的发展进行了总结,对本文的课题内容进行了概括。
第二章主要介绍实验过程所使用的实验试剂,实验仪器,材料的合成方法,表征测试手段等。详细介绍了利用溶胶凝胶法合成硅小球、介孔二氧化硅模板,利用二氧化硅小球和介孔二氧化硅模板分别合成大孔碳和有序介孔碳,以大孔碳、介孔碳为碳源合成磷酸铁锂。对利用柠檬酸为碳源溶胶凝胶法合成磷酸铁锂也进行了详细的介绍。对材料最终电化学测试过程涉及的极片涂布、电池组装和电化学测试等相关实验参数的设定进行了说明。
第三章讨论了每个样品及其中间产物的表征测试结果,包括SEM、TEM、HRTEM、BET、XRD、拉曼光谱等。主要分析了每个样品中碳的含量,多孔性结构,石墨化程度。针对碳对磷酸铁锂粒子的尺寸形貌,材料结晶性,电化学性能的影响进行了细致的分析,阐述了不同的碳源和结构对最终产物中磷酸铁锂粒子形貌结构、电化学性能的影响。突出了碳结构和与材料接触的紧密程度对磷酸铁锂电化学性能的重要影响。
第四章针对本论文的创新和不足之处进行了总结。并对未来工作重点进行了展望。