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本论文较为详细地综述了锂离子电池及正极材料聚阴离子系列材料的研究现状。以锂电池正极材料LiMnPO4作为研究对象,对其进行碳包覆、金属离子掺杂并优化制备方法,通过XRD、SEM、TG-DTG、充放电测试、交流阻抗和循环伏安等方法对合成工艺、材料改性、结构表征和电化学性能进行了深入研究。
采用固相法合成了LiMnPO4。结果表明,球磨20h、700℃烧结20h得到的LiMnPO4样品为单一的橄榄石型结构,且颗粒分布均匀,表面较光滑,其首次充放电容量分别为85.4mAh·g-1、66.4mAh·g-1。
对LiMnPO4正极材料进行碳包覆改性。结果表明,碳包覆不会改变LiMnPO4橄榄石型结构,但是材料粒径变小。以柠檬酸为碳源经过球磨、600℃烧结20h合成LiMnPO4/C复合材料,当碳含量为10%时,样品的电化学性能相对最佳,首次充放电容量分别为139.9mAh·g-1、117.8mAh·g-1,30次循环后的容量为98.2mAh·g-1,容量衰减率为16.6%。交流阻抗测试结果表明随着碳含量的增加,电荷传输反应阻抗逐渐减小,而碳含量为10%的LiMnPO4/C材料的电荷转移电阻相对最小,随着放电的不断进行,电化学反应阻抗逐渐增大。对样品进行循环伏安研究,结果表明样品分别在3.916V、4.406V时产生氧化峰和还原峰,氧化峰值电位与还原峰值电位之差为0.49V。
对锂离子电池正极材料LiMnPO4/C进行金属离子掺杂改性。结果表明,不同掺镁量的LiMn1-xMgxPO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)样品均为橄榄石型晶体结构,镁掺杂对晶体结构没有影响,颗粒形貌规则,为类球形,粒径减小。系统研究了LiMn1-xMgxPO4/C(x=0,0.01,0.03,0.05)样品的电化学性能,LiMn0.97Mg0.03PO4/C样品性能相对最佳,首次充放电容量分别为145.2mAh·g-1、131.1mAh·g-1,循环30次后的容量为116.9mAh·g-1,容量衰减率为10.8%。循环伏安研究表明,LiMn0.97Mg0.03PO4/C样品的氧化峰与还原峰的电位差比未掺杂的LiMnPO4/C样品小0.09V,说明镁掺杂提高了样品电极反应的可逆性。
探索使用溶胶-凝胶法合成LiMnPO4/C,结果表明,配合物形成酸度、烧结温度和时间等因素对LiMnPO4/C性能都有重要的影响。500℃下烧结10h得到具有橄榄石型结构的LiMnPO4/C样品,样品颗粒呈规则的花瓣形,具有比较丰富的比表面。首次充放电容量分别为135.5mAh·g-1、122.6mAh·g-1,30次循环后的容量为112.4mAh·g-1,容量衰减率为8.3%。