本文關(guān)鍵詞：固相法磷酸錳鋰制備及性能研究

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【摘要】：橄欖石型磷酸錳鋰(LiMnPO_4)制備成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無毒環(huán)保、理論比容量高(170m Ah/g)、工作電壓高(4.1V),同時,LiMnPO_4的工作電壓與主流電解液的電化學窗口相匹配,是一種有潛力的鋰離子電池正極材料。但是,LiMnPO_4的本征電子電導(dǎo)率和鋰離子擴散速率較低,嚴重限制了其廣泛應(yīng)用。目前,改善LiMnPO_4材料電化學性能的主要方法是顆粒納米化、碳包覆和金屬離子摻雜。本論文采用固相法,嘗試通過對錳位進行金屬離子摻雜和共摻雜來提高LiMnPO_4的電子電導(dǎo)率,利用X-射線衍射、元素分析、熱重分析、粒徑分析、掃描電鏡、充放電測試、循環(huán)伏安和交流阻抗等手段對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學性能進行表征,并對摻雜、共摻雜的機理進行探討。本論文的主要工作內(nèi)容如下:首先,對錳位進行鐵摻雜,制備Li Mn0.7Fe0.3PO4/C復(fù)合材料并進行工藝條件優(yōu)化,得出最優(yōu)工藝條件為:干法球磨,包碳量7%,壓片壓力10MPa,燒結(jié)時間8h,燒結(jié)溫度550℃。對LiMnPO_4/C和Li Mn0.7Fe0.3PO4/C兩種材料進行性能對比:兩種材料均為橄欖石結(jié)構(gòu);Li Mn0.7Fe0.3PO4/C的顆粒尺寸小且均勻,平均粒徑為296.6nm,分散指數(shù)為0.165;其在0.1C和1C倍率下的放電比容量分別為136.4m Ah/g和104.2m Ah/g,循環(huán)50次后的容量保持率分別為96.3%和96.0%。循環(huán)伏安和交流阻抗測試均表明:Fe2+的摻雜有效改善了材料的電子電導(dǎo)率,材料的電化學性能得到明顯提升。其次,對錳位進行鎂摻雜,合成鎂摻雜的Li Mn1-xMgx PO4/C(x=0.02,0.04,0.06,0.08)復(fù)合材料,測試結(jié)果表明:材料均為橄欖石結(jié)構(gòu),當x=0.04時,對應(yīng)材料的粒徑分布最均勻,平均粒徑最小為147.5nm,分散指數(shù)為0.154;隨著Mg2+摻雜量的增加,材料的電化學性能出現(xiàn)了先增大后減小的規(guī)律,當x=0.04時,對應(yīng)材料的電化學性能最優(yōu),其在0.05C、0.1C和1C倍率下的放電比容量分別為107.5m Ah/g、105.4m Ah/g和77.1m Ah/g,循環(huán)性能和倍率性能均相對較高。雖然Mg2+摻雜提高了LiMnPO_4/C的電化學性能,但總體不如Fe2+摻雜的效果顯著。在以上研究的基礎(chǔ)上,對錳位進行鐵、鎂共摻雜。合成了一系列Li Mn0.7Fe0.3-x Mgx PO4/C(x=0.02,0.04,0.06,0.08)復(fù)合材料,結(jié)果表明:所有材料都為均一相橄欖石結(jié)構(gòu),隨著x的增大,Li Mn0.7Fe0.3-x Mgx PO4/C的比容量和比能量密度先增大后減小,當x=0.04,即Fe、Mg摻雜比例為0.26∶0.04時,Li Mn0.7Fe0.26Mg0.04PO4/C樣品粒徑分布最均勻,平均粒徑最小為272.8nm,分散指數(shù)最低為0.109,材料的電化學性能最佳,在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和5C倍率下的放電比容量分別為159.7m Ah/g、154.3m Ah/g、148.2m Ah/g、143.9m Ah/g、134.7m Ah/g和110.7m Ah/g,其中在1C倍率下循環(huán)50次后容量保持率為94.5%,倍率和循環(huán)性能優(yōu)異。鐵、鎂共摻雜所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)使得材料的電子電導(dǎo)率和晶格的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提高。本文還合成了非化學計量比Li Mn0.7Fe0.23Mgx PO4/C(x=0.035,0.105)復(fù)合材料,研究表明:貧鎂的Li Mn0.7Fe0.23Mg0.035PO4/C性能最優(yōu),550℃燒結(jié)的樣品在0.1C倍率下放電比容量高達158.6m Ah/g。
【學位授予單位】：河北工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ131.11

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本文編號：1157204