本文關(guān)鍵詞：改性硅酸亞鐵鋰正極材料的制備與電化學(xué)性能研究

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【摘要】：Li_2FeSiO_4新型鋰離子電池正極材料,具有較好的性價(jià)比、環(huán)境友好,地殼儲(chǔ)量豐度大等優(yōu)勢(shì),且在理論上可以可逆的脫嵌2個(gè)鋰離子,從而獲得高達(dá)332 mAh·g-1的理論容量,因而引起了研究者們的廣泛關(guān)注。但是該材料本身具有極低的電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù),同時(shí)存在產(chǎn)物顆粒尺寸較大,且不均勻,合成時(shí)間過長(zhǎng)等缺點(diǎn),限制了其應(yīng)用。本文針對(duì)目前研究中存在的問題,分別采取水熱法和回流輔助-溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4材料,并對(duì)其進(jìn)行了碳包覆、稀土離子Nd3+的鐵位取代兩個(gè)方面的改性研究,同時(shí)利用X-射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、紅外光譜儀、電池檢測(cè)儀和電化學(xué)工作站等設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行了一系列的結(jié)構(gòu)表征和相關(guān)電化學(xué)性能測(cè)試。系統(tǒng)研究了改性硅酸亞鐵鋰材料的微結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能,取得了一些有意義的結(jié)果:以納米二氧化硅(SiO2),硫酸亞鐵(FeSO4?7H2O)和氫氧化鋰(LiOH?2H2O)為原料,葡萄糖作為碳源,采用水熱法制備了棗核狀的納米Li_2FeSiO_4/C復(fù)合材料,并對(duì)其進(jìn)行了不同葡萄糖添加量的碳包覆和稀土離子Nd3+的鐵位取代研究。測(cè)試結(jié)果表明:Li2Fe1-x NdxSiO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)的所有樣品均為正交晶型結(jié)構(gòu),空間群為Pmn21,Li2Fe0.97Nd0.03SiO4/C樣品在0.2 C倍率下首次放電容量高達(dá)177mAh·g-1,五次循環(huán)后放電比容量穩(wěn)定在161 mAh·g-1,顯著高于取代前Li_2FeSiO_4/C樣品循環(huán)相同周次時(shí)的放電比容量。針對(duì)水熱法存在的顆粒尺寸較大和碳包覆難度相對(duì)較大的問題,本實(shí)驗(yàn)還利用正硅酸乙酯(TEOS)和草酸亞鐵(FeC2O4?2H2O)為原料,檸檬酸作為螯合劑和碳源,采用回流輔助-溶膠凝膠法制備出了改性硅酸亞鐵鋰Li2Fe1-x NdxSiO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)正極材料,研究結(jié)果表明,溶膠凝膠法制備的樣品均為正交晶型結(jié)構(gòu),空間群為Pmnb。Li2Fe1-x NdxSiO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)正極材料首次放電容量均超過了166 mAh·g-1,Li2Fe0.97Nd0.03SiO4/C樣品在0.2 C倍率下首次放電容量高達(dá)265mAh·g-1,第七次循環(huán)時(shí)的放電比容量為186 mAh·g-1,顯著高于取代前Li_2FeSiO_4/C樣品循環(huán)相同周次時(shí)的放電比容量。Nd3+的摻雜并沒有改變晶體的結(jié)構(gòu)類型。但能有效地提高硅酸亞鐵鋰正極材料的放電比容量、循環(huán)性能和倍率性能,顯著降低電極/電解液界面電荷轉(zhuǎn)移電阻,增大交換電流密度,改善電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能。在本實(shí)驗(yàn)條件下,取代量為0.03時(shí),Li2Fe0.97Nd0.03SiO4/C材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻最小,并顯著低于取代前Li_2FeSiO_4/C材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 正極材料 硅酸亞鐵鋰 摻雜 電化學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O646;TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-23
• 1.1 引言12-13
• 1.2 鋰離子電池結(jié)構(gòu)和工作原理13-14
• 1.3 鋰離子電池正極材料研究進(jìn)展14-17
• 1.3.1 層狀氧化物正極材料研究進(jìn)展15-16
• 1.3.2 尖晶石型正極材料的研究進(jìn)展16
• 1.3.3 聚陰離子型正極材料的研究進(jìn)展16-17
• 1.4 聚陰離子型正極材料Li_2FeSiO_4的研究現(xiàn)狀17-22
• 1.4.1 Li_2FeSiO_4的晶體結(jié)構(gòu)18
• 1.4.2 Li_2FeSiO_4的電化學(xué)性能18-19
• 1.4.3 Li_2FeSiO_4的制備方法19-20
• 1.4.4 Li_2FeSiO_4的改性研究20-22
• 1.5 本文的研究工作及意義22-23
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法23-28
• 2.1 主要化學(xué)試劑23
• 2.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備23-24
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法24-26
• 2.3.1 X射線衍射(XRD)分析24
• 2.3.2 掃描電鏡(SEM)分析24-25
• 2.3.3 透射電鏡(TEM)分析25
• 2.3.4 熱重(TG-DTA)分析25
• 2.3.5 傅里葉變換-紅外光譜(FT-IR)分析25
• 2.3.6 氮吸脫附曲線分析25
• 2.3.7 激光粒度分析25-26
• 2.4 電極電化學(xué)性能測(cè)試26-28
• 2.4.1 模擬電池的組裝26
• 2.4.2 充放電性能測(cè)試26
• 2.4.3 循環(huán)伏安測(cè)試26-27
• 2.4.4 電化學(xué)阻抗譜測(cè)試27-28
• 第3章 改性硅酸亞鐵鋰的水熱法制備及其電化學(xué)性能研究28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 水熱法合成工藝28-29
• 3.3 水熱合成Li_2FeSiO_4/C碳源添加量的確定29-30
• 3.4 水熱合成Li_2FeSiO_4/C樣品的結(jié)構(gòu)表征30-33
• 3.4.1 水熱合成Li_2FeSiO_4/C樣品的XRD分析30
• 3.4.2 水熱合成Li_2FeSiO_4/C樣品的SEM及TEM分析30-31
• 3.4.3 水熱合成Li_2FeSiO_4/C樣品的熱重-差熱分析31-32
• 3.4.4 水熱合成Li_2FeSiO_4/C樣品的FT-IR分析32-33
• 3.4.5 水熱合成Li_2FeSiO_4/C樣品的粒度分析33
• 3.5 水熱合成Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能研究33-40
• 3.5.1 水熱法制備的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的XRD分析33-34
• 3.5.2 水熱法制備的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的SEM分析34-35
• 3.5.3 水熱法制備的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的TEM分析35-36
• 3.5.4 水熱法制備的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的恒流充放電性能36-38
• 3.5.5 水熱法制備的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的倍率性能38
• 3.5.6 水熱法制備的Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C的循環(huán)伏安曲線38-39
• 3.5.7 水熱法制備的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的電化學(xué)阻抗譜39-40
• 3.6 本章小結(jié)40-42
• 第4章 改性硅酸亞鐵鋰材料的回流輔助-溶膠凝膠法合成及其電化學(xué)性能研究42-57
• 4.1 引言42
• 4.2 溶膠凝膠法合成工藝42-43
• 4.3 溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4/C的結(jié)構(gòu)與表征43-47
• 4.3.1 溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4/C樣品的XRD分析43
• 4.3.2 溶膠凝膠合成Li_2FeSiO_4/C樣品的SEM和TEM分析43-44
• 4.3.3 溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4/C樣品的熱重-差熱分析44-45
• 4.3.4 溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4/C樣品的FT-IR分析45-46
• 4.3.5 溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4/C樣品的氮吸脫附曲線分析46
• 4.3.6 溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4/C樣品的粒度分析46-47
• 4.4 溶膠凝膠法合成Li_2FeSiO_4/C的電化學(xué)性能47-48
• 4.5 溶膠凝膠法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能研究48-55
• 4.5.1 溶膠凝膠法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_ XSiO_4/C的XRD分析48-49
• 4.5.2 溶膠凝膠法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的SEM分析49-50
• 4.5.3 溶膠凝膠法合成Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的TEM分析50-51
• 4.5.4 溶膠凝膠法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的充放電性能51-52
• 4.5.5 溶膠凝膠法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的倍率性能52-53
• 4.5.6 溶膠凝膠法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的循環(huán)伏安分析53-54
• 4.5.7 溶膠凝膠法合成的Li_2Fe_(1-X)Nd_XSiO_4/C的交流阻抗分析54-55
• 4.6 本章小結(jié)55-57
• 結(jié)論57-58
• 參考文獻(xiàn)58-64
• 攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果64-65
• 致謝65

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本文編號(hào)：854307