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废旧磷酸铁锂的回收及过渡金属氧化物负极材料的研究

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摘要

第一章 概论

1.1 锂离子电池的简述

1.1.1 锂离子电池的发展

1.1.2 锂离子电池的工作原理

1.2 锂离子电池的正极材料

1.2.1 正极材料的研究进展

1.2.2 磷酸铁锂正极材料的研究进展

1.2.3 磷酸铁锂正极材料的回收利用

1.3 锂离子电池负极材料

1.3.1 锂离子电池锡基负极材料

1.3.2 锂离子电池硅基负极材料

1.3.3 锂离子电池过渡金属氧化物负极材料

1.4 本论文的立题依据及研究内容

第二章 实验方法

2.1 实验原料

2.2 材料的合成与制备

2.3 材料表征

2.4 材料电化学性能测试

第三章 废旧磷酸铁锂的回收及磷酸铁锂的大批量生产

3.1 废旧磷酸铁锂正极材料的回收利用

3.1.1 废旧磷酸铁锂正极材料的除碳回收制备工艺

3.1.2 除碳回收制备的磷酸铁锂及其性能表征

3.1.3 简易回收制备的磷酸铁锂及其性能表征

3.2 LiFePO4/C的产业化研究

3.2.1 磷酸铁锂的大批量生产工艺

3.2.2 大批量生产LiFePO4/C正极材料的表征

3.3 本章小结

第四章 FeaO4/C核壳结构复合材料的制备

4.1 Fe2O3纳米结构的控制

4.1.1 NH4H2PO4的浓度对Fe2O3形貌的影响

4.1.2 水热反应时间对Fe2O3形貌的影响

4.2 Fe3O4/C核壳结构复合材料的制备及表征

4.2.2 Fe3O4/C核壳结构复合材料的表征

4.1.2 Fe3O4/C复合材料的电化学性能表征

4.3 本章小结

第五章 NiO/石墨烯复合材料的制备

5.1 NiO/石墨烯复合材料的制备

5.2 NiO/石墨烯复合材料的表征

5.3 NiO/石墨烯复合材料的电化学性能表征

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术成果

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摘要

磷酸铁锂(LiFePO4)作为新型锂离子电池正极材料已经开始产业化,但磷酸铁锂广泛应用后,将出现新的工程问题—磷酸铁锂电池的回收利用问题。本文研究了一种淬火回收利用磷酸铁锂电池的方法,回收合成的磷酸铁锂材料具有较好的电化学性能。回收制备的磷酸铁锂0.1C下首次充电容量可以达到150mAh/g。本文还利用更为简单、节能的方法回收磷酸铁锂,在回收过程中不需要除碳和高分子化合物。本文还研究了磷酸铁锂大批量制备工艺,其原料是以廉价的氧化铁为铁源、磷酸二氢铵为磷酸。得到磷酸铁锂粉体的一次颗粒尺寸在100nm以内,颗粒周围有碳纤维包覆。
  本文研究了多种形貌纳米氧化铁的合成,一方面试图以该类氧化铁为前躯体研究磷酸铁锂的制备,另一方面试图通过碳包覆对氧化铁进行电化学性能的改善研究。本文通过调节磷酸二氢铵浓度及反应时间,制备了氧化铁的纳米管、纳米环、纳米棒等,并对纳米管的氧化铁进行了碳包覆改性研究。研究结果表明所得材料为核壳结构的Fe3O4/C复合材料,该材料的Fe3O4纳米管的长度为300-600nm,直径为100nm左右,碳膜的厚度在5nm左右。该核壳纳米管结构的Fe3O4/C复合材料在充放电中能保持稳定,因而相对于单纯的Fe3O4,该复合材料的电化学性能有明显的改善。在100mA/g电流密度下,经过120次循环后,Fe3O4/C的容量仍然保持在700mAh/g。
  本文尝试以石墨烯(G)为三维导电网络来改善NiO的电化学性能,并成功合成了NiO/石墨烯(NiO/G)复合材料。研究发现,NiO纳米片均匀的镶嵌在石墨烯片层上,而石墨烯呈现出一种三维的网络结构;镶嵌在石墨烯上的氧化镍纳米片直径在30-60nm,厚度在5nm左右,而且呈现出多孔结构。在100mA/g电流密度下,经过60次循环,单纯的NiO仅有不到100mAh/g的比容量,而NiO/石墨烯仍能保持300mAh/g。

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