锂离子电池正极材料LiMnPO4的合成及其性质研究

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锂离子电池正极材料中,具有橄榄石结构的磷酸盐材料具有良好的结构稳定性和循环性能,其中,由于锰元素具有资源丰富,无毒的优点,使得磷酸锰锂一直是当今锂离子电池正极材料的研究热点之一,具有广阔的发展前景。  本文通过采用不同的合成方法成功合成出橄榄石型磷酸锰锂锂离子电池正极材料,并对其各种物理及其化学性质进行了研究。通过X-射线衍射仪(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)、X-射线光电子能谱(XPS)分别对产物的结构和元素价态进行了表征,通过透射电子显微镜(TEM)分别对产物的形貌进行了表征,通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电测试仪以及电化学交流阻抗(EIS)分别对产物的电化学性能做了一系列系统的研究。研究表明,材料的各种性能相互之间均能产生影响。  第一章介绍了锂离子电池的发展、锂离子电池的组成及工作原理,并对其结构特点、种类及其合成方法以及各种锂离子电池正极材料的电化学性能做了概括、并对橄榄石型锂离子电池的正极材料的发展作出了展望。  第二章主要介绍了本文所用仪器的原理及应用领域,并对电极的制备和电池的组装过程作了详细介绍。  第三章研究了LiMnPO4颗粒流变相法合成及其电化学性能。在其流变相合成过程中,研究了包括表面活性剂、煅烧温度和质量比对最终产物的影响。XRD结果表明,使用前驱体质量比与柠檬酸为2:1的混合物于750℃煅烧最优反应条件,该条件下所得LiMnPO4颗粒为纯相,属正交晶系,具有橄榄石结构,Pmnb点群,晶型良好,结晶度较高,TEM结果表明,所得产物的粒径约为300-500 nm,且分布均匀;通过恒电流充放电测试和循环伏安测试,结果表明,放电容量为13.9 mAh/g,且充放电平台与Mn3+/Mn2+的氧化还原电位相对应;交流阻抗测试(EIS)结果表明,所得产物具有较大的表面阻抗,为180Ω。接着对Mg掺杂后的LiMnPO4材料进行的上述相同的表征,结果表明,掺杂后的LiMnPO4结晶度进一步增加,结构稳定性进一步增强,其作为锂离子电池正极材料的电化学性能取得较大改善。  第四章研究了LiMnPO4棒状颗粒的混合溶剂法合成及其电化学性能。XRD结果表明,所得的LiMnPO4颗粒为纯相,具有良好的晶型结构,结晶度较高;FTIR结果表明,反应后产物颗粒表面粘附的少量PVP分子;通过TEM表征,结果表明,所得的产物为棒状颗粒,粒径约为200-600 nm,尺寸分布均匀。将所得的LiMnPO4棒状颗粒作为锂离子电池正极材料进行恒电流测试,其放电容量为5.58mAh/g,表现出一定的电化学性能;进一步对其进行循环伏安测试和交流阻抗测试,对其作为锂离子电池正极材料的充放电机理有了初步的探索。  第五章研究了不同反应条件下的LiMnPO4的水热合成及其电化学性能。XRD结果表明,所得的LiMnPO4颗粒均为纯相,具有良好的晶型和较高的结晶度;XPS结果表明,产物中Mn为+3价;TEM结果表明,所得产物有棒状颗粒和正方体颗粒,尺寸范围为300-800nm,通过高倍透射电子显微镜(HETEM)表征,其结果表明,所得LiMnPO4棒状颗粒沿着(020)晶面生长。通过对其进行恒电流充放电测试和循环伏安测试表明,其放电容量为6.52mAh/g,电化学交流阻抗结果为119Ω。将其煅烧后,进一步测试其结构、形貌及电化学性能。结果表明,其晶型进一步优化,电化学性能得到改善,但由于温度的影响使其原始形貌发生较大改变。
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