磷酸盐体系锂/钠离子电池电极材料的制备及性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lwlw02
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本论文的主要内容是关于磷酸盐体系锂/钠离子电池电极材料的制备及电化学性能研究。首先,确定了Li2O-MO-P2O5(M=Fe,Co)三元体系在固相线下的相区相关系,并初步研究了这两个相图内相关化合物的结构及电化学性能。其次,对双磷酸盐Li9V3(P2O7)3(PO4)2进行掺杂优化改性,并通过恒流充放电测试及原位XRD研究该材料锂离子嵌入-脱出机理;最后,系统地研究了两个新化合物NaM(PO33(M=Fe,Co)的相关物理化学性能,并报导了这两个偏磷酸盐作为钠离子电池正极材料的可能性。本论文主要的研究内容包括:1、通过56组不同组分样品的XRD,我们首次确定了Li2O-FeO-P2O5三元体系在固相线下的相区相关系。实验结果表明,该三元体系内存在8个二元制化合物,4个三元制化合物,2个两相区域和17个三相区域。其中,在该体系内,通过XRD精修确定一个固溶区Li1+xFe1-xPO4(-0.15≤x≤0.06),并得到这些化合物的晶胞参数。2、通过52组不同组分样品的XRD,我们首次确定了Li2O-CoO-P2O5三元体系在固相线下的相区相关系。实验结果表明,该三元体系内存在6个二元制化合物,5个三元制化合物和17个三相区域。在该相图内,我们也系统研究了相关三元钴基磷酸盐的电化学性能,首次发现Li6Co5(P2O)4化合物作为锂离子电池正极材料是具有电化学活性的。在5mA/g电流密度下和3.0-4.9V电压区间内,该材料循环30次后仍能保持良好的充放电平台和可逆比容量。3、利用溶胶-凝胶法合成了单相Co掺杂Li9V3-xCox(P2O7)3(PO4)2/C(x=0.00,0.04,0.06,0.08,0.10)化合物。X射线光电子能谱(XPS)的拟合结果表明Li9V3-xCox(P2O7)3(PO4)2/C样品中的钴元素是+2价,而部分V3+价被氧化成V4+价,从而保持了电位平衡。电化学测试结果表明,Li9V0.96Co0.04(P2O7)3(PO4)2/C在所有样品中表现出最优的倍率性能和循环性能。BET比表面积,循环伏安及电化学阻抗谱测试结果表明适量的钴掺杂可以减少样品的颗粒尺寸和提高样品与电解液的接触面积,从而有利于锂离子的迁移,改善样品的循环性能和倍率性能。4、利用碳热还原法合成了碳包覆Li9V3(P2O7)3(PO4)2(LVPP/C)复合物,并系统研究了其储锂性质,包括作为锂离子电池正极材料和负极材料。LVPP/C正极在2.5V-4.6V电压范围内表现出两对氧化还原对和稳定的循环性能。而作为负极,原位XRD结果给出LVPP/C极片在锂离子嵌入-脱出过程表现出两相的反应机理,并得到稳定的循环性能及倍率性能。另外,考虑到LVPP/C作为正负极存在较大的电势差,我们也设计了一种同时将LVPP/C作为正极和负极的对称电池并测试了其电化学性能。结果表明LVPP(正极)//LVPP(负极)对称电池在2.38V/2.37V和2.75V/2.68V存在两对氧化还原峰,并表现出稳定的循环性能。5、合成了一种新的铁基偏磷酸盐NaFe(PO33。XRD研究结果表明该化合物是属于正交晶系(S.G.P212121),晶胞参数为a=14.3390(3)?,b=14.3374(2)?,c=14.3642(1)?。NaFe(PO33结构存在由PO4四面体构成的,沿a轴方向的一维无限(PO3)1-链。链与链之间是通过FeO6八面体相互连接的。磁学测试表明该化合物在10-300K温度范围内表现出典型的顺磁性质。电化学性能研究结果表明,NaFe(PO33化合物仅能表现出部分的可逆容量。考虑到其比较低的电子电导率和离子迁移率,我们需要通过一些优化手段如减小样品颗粒,碳包覆和优化电池装配工艺等来改善其电化学性能。6、最后,通过高温固相法成功合成了新化合物NaCo(PO33。XRD精修给出该化合物是与NaFe(PO33化合物互为同构异型体,并得到晶胞参数a=14.2453(2)?,b=14.2306(1)?和c=14.2603(2)?。另外,我们发现NaCo(PO33化合物作为钠离子电池正极材料是有电化学活性的。在0.05C的电流密度下和1.5V-4.2V的电压范围内,NaCo(PO33表现出明显的充放电平台,得到的首次充放电容量分别为49.5mAh/g和33.8mAh/g。在20次循环后,该正极仍能表现出良好的充放电平台和可逆比容量。非原位XRD和XPS的测试结果表明该正极在充放电过程中存在着可逆的钠离子脱出和嵌入过程,对应着的氧化还原反应。
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