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溶胶—凝胶法制备二次电池正极LiFePO4/C复合材料的微结构及其电化学性能研究

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目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 锂离子电池的特点及其工作原理

1.3.1 锂离子的分类

1.3.2 锂离子正极材料

1.4 磷酸铁锂的发展研究进展

1.4.1 磷酸铁锂的结构及其特点

1.4.2 LiFePO4的改性方法

1.5 LiFePO4的合成方法

1.5.1 高温固相法

1.5.2 水热合成法

1.5.3 共沉淀法

1.5.4 溶胶凝胶法

1.5.5 微波合成法

1.6 课题研究的思路及意义

第二章 正电子湮没技术的原理和应用

2.1 正电子湮没技术发展概况

2.2 正电子湮没技术的基本原理

2.2.1 正电子及正电子湮没

2.2.2 正电子在固体中的分布

2.2.3 正电子淹没率

2.2.4 正电子多普勒展宽谱和γ角关联谱

2.3 正电子湮没的实验技术

2.3.1 正电子寿命谱

2.3.2 正电子寿命谱仪

2.3.3 正电子寿命谱分析

2.3.4 正电子湮没寿命谱

第三章 实验材料与研究方法

3.1 引言

3.2 实验主要原料及设备

3.3 溶胶凝胶法合成样品

3.4 材料测试与表征

3.4.1 X射线衍射分析(XRD)

3.4.2 扫描电子显微镜(SEM)

3.4.3 热重分析(TA-DTA)

3.4.4 能谱分析

3.4.5 电池的组装

3.4.5 交流阻抗分析

3.4.6 微电极循环伏安(CV)分析

3.4.7 正电子湮没寿命分析

3.4.8 扣式电池的充放电测试

第四章 磷酸铁锂正极材料的合成

4.1 引言

4.2 溶胶凝胶法制备样品

4.3 磷酸铁锂制备工艺的确定

4.4 不同碳源的对材料结构性能的影响

4.4.1 TG-DTA分析

4.4.2 元素分析

4.4.3 不同碳源的XRD分析

4.4.4 不同碳源的SEM分析

4.4.5 不同碳源的正电子寿命分析

4.4.6 不同碳源的AC分析

4.4.7 不同碳源的CV分析

4.4.8 不同碳源的充放电性能

4.5 本章小结

第五章 Zn掺杂对材料的影响

5.1 掺杂Zn的XRD分析

5.2 掺杂Zn对材料正电子湮没寿命的影响

5.3 Zn掺杂对材料电化学性能的影响

5.3.1 不同Zn掺杂量的材料首次充放电测试

5.3.2 Zn掺杂对材料交流阻抗的影响

5.3.3 Zn掺杂量对材料循环伏安特性曲线的影响

5.4 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

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摘要

本文按以下方法制备LiFePO4/C二次电池正极复合材料:用溶胶-凝胶法合成LiFePO4,以抗坏血酸、D-果糖为碳源制备碳包覆的LiFePO4材料,再对碳包覆LiFePO4材料进行不同含量的Zn掺杂。采用XRD、SEM、EDS等方法研究其微结构和形貌;以正电子湮没寿命谱分析材料的电子密度;并通过交流阻抗分析、循环伏安测试以及首次充放电测试等手段对其电化学性能进行分析。实验结果如下:
   (1)实验结果显示,当LiFePO4/C复合材料的锂铁比为1:1,碳铁比为0.1:1,预烧温度为400℃,预烧时间为3.5h,焙烧温度为800℃,焙烧时间为15h时,所制备的LiFePO4/C复合材料的自由电子密度较高,电化学性能最好。
   (2)比较了两种不同碳源碳包覆对材料性能的影响。XRD和SEM结果表明,以D-果糖作为碳源合成的颗粒其晶型和尺寸均优于以抗坏血酸为碳源合成的颗粒;正电子湮没寿命谱结果显示,以D-果糖作为碳源制备的LiFePO4/C复合材料其自由电子密度比以抗坏血酸为碳源合成的高。电化学性能测试结果显示,以D-果糖为碳源合成的LiFePO4/C复合材料的首次充电比容量达到120 mAh·g-1,放电比容量82 mAh·g-1;以抗坏血酸为碳源合成的LiFePO4/C复合材料的首次充电和放电比容量分别为92 mAh·g-1和50mAh·g-1;前者的电化学性能明显比后者的好。
   (3)研究了Zn掺杂对碳包覆LiFePO4材料结构和性能的影响,实验发现:Zn的掺杂不影响材料的晶体结构。当Zn含量小于10%时,随着Zn含量的增大,材料的电化学性能变好;当Zn掺杂量在10%时,材料的电化学性能最好,该材料的首次充电比容量达到169.3 mAh·g-1,放电比容量达到121.1 mAh·g-1;当Zn含量大于10%时,随着Zn含量的增大,材料的电化学性能变坏。

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