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摘要橄榄石型 LiMnPO4具有 4.1V（vs. Li/Li+)的高放电平台，是很有前景的高能量密度正极材料。但是 LiMnPO4极低的电子电导率和离子迁移率，导致其电化学活性很差，容量难以释放，需改善其电化学活性以提高容量。本论文从多元醇法合成纯相 LiMnPO4出发，研究了材料纳米化、碳包覆、铁掺杂处理等改性措施对 LiMnPO4电化学性能的影响。实验结果表明，使用 PVP细化晶粒、碳包覆和铁掺杂均可以提高 LiMnPO4电化学性能；其中在 200℃、2g PVP条件下，10%Fe2+掺杂并包碳样品表现出最优的循环性能、倍率性能与最高的放电比容量，在 30℃、C/8 倍率下首循环放电比容量为 118.2mAh g-1、达理论比容量的69.5%。同时，交流阻抗测试证实了上述结论的可靠性。48671
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毕业论文关键词 LiMnPO4 材料纳米化 碳包覆 铁掺杂 电化学性能
Title Design and synthesis of high capacity cathode material forlithium ion batteries
Abstract LiMnPO4 with olivine structure has attracted lots of attention as high energydensity cathode material due to its high redox voltage of 4.1 V versus Li/Li+.However, its low electric conductivity and ionic mobility lead to the poorelectrochemical behavior and the difficulty in capacity releasing. Therefore, manyefforts have been taken to improve the electrochemical performance of LiMnPO4.This study focuses on the synthesis of pure LiMnPO4 via a polyol method and themodification by grain refining, carbon coating and iron doping. The experimentalresults showed that the using of PVP, carbon coating and iron doping, can greatlyimprove the electrochemical performance of LiMnPO4. The sample, which wassynthesized under the conditions of 200℃, 2g PVP and 10% Fe2+doped and with carboncoating exhibited the best cycling performance rate capability and the highestdischarge specific capacity and exhibited a specific capacity of 118.2mAh g-1atC/8 at 30℃ on the first cycle, up to 69.5% of the theoretical specific capacity.And the electrochemical impedance spectra also confirmed the reliability of theconclusions.
Keywords LiMnPO4, grain refining, carbon coating, iron doping, electrochemicalperformance
目 次
1 绪论 1
1.1 锂离子电池概述 1
1.2 锂离子电池工作原理 3
1.3 锂离子电池正极材料简介 4
1.4 LiMnPO4正极材料 5
1.5 选题背景与研究内容 9
2 实验原料、 设备及方法 11
2.1 实验原料及设备 11
2.2 实验方法 13
2.3 材料表征 16
3 实验结果与讨论 19
3.1 合成产物组分与形貌表征 19
3.2 LiMnPO4电化学性能表征 26
3.3 下一阶段研究计划 32
结论 33
致谢 34
参考文献35
1 绪论1.1 锂离子电池概述科学技术的高速发展，极大地便捷了现代生活，但同时也带来了诸多问题，比如能源危机。为解决这些问题，许多国家将目光转向开发新能源[1,2]。但由于天气、地理等自然因素的制约，太阳能等的推广普及还需要时间和技术发展。而化学电源尤其是二次电池以高效、安全和可持续等优点备受青睐，获得广泛应用。其中，以锂离子电池为最，其工作电压更高、能量密度更高、循环寿命更长，代表了目前小型充电电池领域的最先进技术[3,4]。锂电池技术最初是基于以下事实：锂位于周期表第二周期第IA 族，是标准电极电势最小（-3.04V）、最轻（摩尔质量 M=6.94g mol-1，密度0.53g cm-3）的金属，据此可设计高比能量的储存系统[5]。20 世纪70 年代实现不可充电锂电池的组装首次证明了锂的优势，迅速成为手表等简单器械的动力源[6]。同时，研究人员发现了能与碱金属可逆反应的嵌入化合物，为锂离子电池技术奠定了基础[7]。图 1.1 锂电池工作原理示意图[5]：a可充电锂金属电池；b可充电锂离子电池以锂金属为负极的可充电锂电池，由于存在枝晶问题这一致命缺陷（如图 1.1a），限制了其发展[8]。使用锂铝合金替代锂可以解决枝晶问题[9]，但由于剧烈体积变化，合金电极循环寿命很短。与此同时，