文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
锂离子电池正极材料LiFePO4的合成、改性以及界面研究
姓名:潘芳芳
申请学位级别:博士
专业:物理化学
指导教师:王文楼;陈东明
2011-04
中国科学技术大学博士学位论文摘要
摘要
锂离子电池是一种非常有发展潜力的储能装置,目前已广泛用于在手机、笔
记本电脑、摄像机等便携式电子设备中,而日益扩大的电动汽车领域将给锂离子
电池带来更大的发展空间。自从 Goodenough 等在 1997 年对橄榄石型 LiFePO4
进行报道以后,高容量、安全、无毒、对环境友好等特点使 LiFePO4 作为潜在的
储能材料而得到了人们极大的关注电极材料,并被认为是用于混合型电车或电车
的新一代大规模锂离子电池最理想的候选阴极材料。本论文内容涉及 LiFePO4
电极材料的制备、改性和优化,重点探讨 LiFePO4 的界面结构和性质及其与材料
电化学性能之间的关系。
在论文的第一章中,作者简要回顾了锂离子电池的发展史,简要介绍了锂离
子电池的结构、工作原理以及常用的电极材料,重点论述了 LiFePO4 正极材料的
研究现状,最后概述了 LiFePO4 的合成和改性方法。
第二章主要介绍了本论文中所用到的实验方法和仪器,介绍了实验用电池的
制作过程,以及常用的结构、形态和电化学测试手段。
在第三章中通过溶胶凝胶法制备出具有核壳结构的 LiFePO4/C,其中
LiFePO4 核为 30nm 左右的球形粒子,表面均匀包覆一层厚度约为 3nm 的碳壳。
通过软 X 射线吸收谱(XAS)测试 LiFePO4/C 的 C 和 O K 边吸收发现碳包覆层
与 LiFePO4 在界面存在键合作用。电化学测试表明这种核壳结构 LiFePO4/C 具有
优异的高倍率和循环性能,20C 倍率下放电容量高达 106mAhg-1,20C 倍率循环
250 次后容量几乎没有任何衰减。
在第四章中,使用溶胶凝胶法制备出具有不同 LiFePO4-碳接触界面的
LiFePO4/C 复合物,并对界面性质以及不同界面结构对 LiFePO4 性能的影响进行
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详细研究。发现包覆后碳能够在 LiFePO4 表面形成化学吸附,并与 PO4 离子中
的两个 O 结合成键,并诱使表层中 Fe2+离子变为 Fe3+。电化学测试表明界面性
+
质是影响 LiFePO4/C 性能的关键因素,与体相内部扩散相比 Li 在界面的转移是
纳米 LiFePO4 电极反应的速控步。具有紧密 LiFePO4-C 结合的 LiFePO4/C 在界面
形成具有高 Li+导电性的无定形离子层,提高了 Li+在电极表面的吸附和转移,从
而能够显著的提高 LiFePO4 的电化学性能。
在第五章,使用溶胶凝胶法制备出具有不同碳层孔径分布的核壳结构
LiFePO4/C 复合物,研究碳层多孔性对 LiFePO4 电化学性能的影响。发现在电极
材料中引入具有多级结构的体系可以显著改善材料的功率性能。碳包覆层多孔性
在改善 LiFePO4/C 倍率性能方面也起着非常重要的作用。大孔和小孔结合的双
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孔分布结构更有助于电解液向活性材料表面的扩散传输,提供更有利于 Li+传输
的通道,尤其有助于提高材料的高倍率性能。
在第六章中,使用溶胶宁家法制备出具有核壳结构的 F 掺杂 LiFePO4/C 复合
物,并研究 F 掺杂对 LiFePO4 结构以及电化学性能的影响。结构分析结果表明 F
掺杂会减小晶胞体积,减弱 Li-O 之间的键合作用,有利于充放电过程中锂离子
在 LiFePO4 晶格中的嵌入和脱出,改善材料的倍率性能,同时还有助于增强锂离
子脱嵌过程中晶体结构的稳定性,提高材料的电化学循环性能。电化学测试结果
表明 F 掺杂可以增强材料的动力学性能,提高锂离子在材料中的扩散速率,改善
材料的电化学性能。
最后,在第七章中,作者对本论文的创新和不足之处进行了总结并对未来的
研究方向进行了展望。
关键词:锂离子电池正极材料 LiFePO4 溶胶凝胶法碳包覆掺杂改性界面
性质多孔性电化学性质
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Abstract
Among the various available storage technologies, the Li-ion battery, which has
conquered the portable electronic market, such sa mo