锂离子电池正极材料LiFePO4的制备与改性研究

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本文采用高温固相法合成了锂离子电池正极材料Li Fe PO4。通过对合成条件优化,确立了最优合成条件。随后对合成的Li Fe PO4进行了掺杂金属元素和表面包覆金属氧化物的改性研究。通过考察摩尔比(1:1):Fe2O3+Fe C2O4,Fe PO4+Fe C2O4,Fe PO4+Fe2O3,Fe+Fe2O3和Fe+Fe PO4五种混合铁源,研究了混合铁源Fe2O3+Fe C2O4和单一铁源(Fe2O3和Fe C2O4)的对比实验,确定摩尔比(1:1):Fe2O3+Fe C2O4为混合铁源;考察了乙醇、乙醇/水(体积比1:1)和丙酮三种分散剂,发现丙酮作为分散剂效果较好;考察了600、650和700℃三个焙烧温度,最终确定焙烧温度为650℃;考察了8、10、12和14h四个焙烧时间,确定焙烧时间为10h。在最优条件下制备的材料依次在0.1、0.2、0.5、1.0和2.0C各循环10次,在各个倍率最高放电比容量依次为:146.9、131.5、115.5、100.0、72.1m Ah/g。掺杂Ti合成了Li Fe1-x Tix PO4(x=0,0.01,0.02,0.03),研究表明Ti掺杂可以提高材料的小倍率放电比容量和循环性能,Li Fe0.98Ti0.02PO4样品在0.1C首次放电比容量达150.2m Ah/g,循环10次后高达154.0m Ah/g,容量保持率102.5%。掺杂Ni合成了Li Fe1-x Nix PO4(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)研究表明:Ni掺杂可以提高材料的大倍率放电比容量和循环稳定性,Li Fe0.98Ni0.02PO4样品在0.1、0.2、0.5、1.0和2.0C依次循环10次,各个倍率首次放电比容量为:131.5、123.9、109.3、95.5和80.4m Ah/g,每个倍率循环10次后容量保持率分别为:100.6%、100.7%、99.8%、98.8%和100.5%。掺杂V合成了Li Fe1-x Vx PO4(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04),研究表明V掺杂可以提高材料的放电比容量和倍率循环性能,Li Fe0.98V0.02PO4样品在0.1、0.2、0.5、1.0和2.0C依次循环10次,各个倍率最大放电比容量依次为:152、140.9、130.3、119.8和105.9m Ah/g;每个倍率循环10次后,容量保持率依次为:98.2%、100.9%、99.3%、100.3%和98.8%。掺杂Mn合成了Li Fe1-x Mnx PO4(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04),掺杂降低了材料的放电比容量,但在一定程度上可以提高材料的循环性能,材料Li Fe0.99Mn0.01PO4和Li Fe0.97Mn0.03PO4在2.0C首次放电比容量为66.7和68.1m Ah/g,循环10次后放电比容量为65.2和65.9m Ah/g,容量保持率为:97.8%和96.8%。对最优条件合成的Li Fe PO4进行了1wt.%、2wt.%、3wt.%和4wt.%的Mg O包覆研究,Mg O包覆提高Li Fe PO4的小倍率循环稳定性,包覆2wt.%Mg O材料在0.1C循环10次后,放电比容量是:90.3m Ah/g,容量保持率依次为:96.8%;对最优条件合成的Li Fe PO4进行了1wt.%、2wt.%、3wt.%和4wt.%的Al2O3包覆研究,Al2O3包覆可以提高Li Fe PO4的大倍率循环稳定性,而对小倍率改善不明显。包覆3wt.%Mg O的样品,在0.5、1.0和2.0C的首次放电比容量为;71.7、58.5和44.8m Ah/g,容量保持率分别为:97.4%、92.1%和97.5%。
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