锂离子电池磷酸盐固溶体正极材料制备及性能研究

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锂离子电池在新能源体系中占有很大比重,而拥有较高理论容量和循环稳定性的磷酸盐正极材料LiMPO4(M为Co、Mn、Fe)已被广泛研究,但由于各自的缺点影响了它们在实际中的应用。用离子替代形成固溶体材料可以很好的缓解一元磷酸盐材料的缺陷。本文采用高温固相法、溶剂热法等方法合成多种固溶体材料,并研究了其电化学性能。主要内容有:1.用高温固相法合成单相LiCo1-xFexPO4固溶体正极材料,研究了合成条件(煅烧温度、碳源、离子掺杂)对电化学性能的影响。结果表明:以科琴黑为碳源,在650 oC下制备的LiCo0.9Fe0.1PO4/C复合正极材料在0.1 C倍率下的首次放电容量达到139 mAh g-1,Li1.025Co0.8Fe0.15V0.05(PO4)1.025/C复合正极材料30次循环后的容量保持率为70%。而LiCoPO4/C在0.1 C倍率时的首次放电容量仅为111 mAh g-1。煅烧温度为800 oC时得到的材料循环性能最好。2.采用溶剂热法、高温固相法合成单相LiCo1-xMnxPO4固溶体材料,研究了Mn含量、碳源对固溶体形貌、粒径及电化学性能的影响。结果表明:溶剂热法合成的材料颗粒呈棒状,随着Mn含量的增多,颗粒逐渐变小。粒径为70150 nm的LiCo0.5Mn0.5PO4/C在室温0.1 C倍率下的首次放电容量为137 mAh g-1;50 oC时1 C倍率放电容量为136 mAh g-1,高温性能良好。采用高温固相法以β环糊精为碳源合成的LiCo0.5Mn0.5PO4/C材料在0.1 C倍率下的首次放电容量为119 mAh g-1;以吐温40和吐温80为混合碳源,获得的材料粒径为90200 nm,分散性好,0.1 C时的首次放电容量为114 mAh g-1,50次循环后容量保持率为73%。3.采用溶剂热法、高温固相法合成单相LiMn1-xFexPO4固溶体材料,研究了Fe含量、碳源对固溶体形貌、粒径及电化学性能的影响。结果表明:溶剂热法合成的材料颗粒呈片状,粒径为100250 nm,碳包覆处理后0.1 C倍率下LiMn0.7Fe0.3PO4/C的首次放电容量为161 mAh g-1,1 C倍率下循环200次后容量保持率达到88%;在50 oC下循环时也表现出较好的稳定性。采用高温固相法以可溶性淀粉为碳源合成的LiMn0.8Fe0.2PO4/C材料在0.1 C时的首次放电容量为135 mAh g-1,循环性能较好;以吐温40和吐温80为混合碳源制备的材料颗粒分散性好,粒径为140250 nm,在0.1 C时的首次放电容量为144 mAh g-1。4.为了综合几种一元磷酸盐材料的特点,采用溶剂热法和高温固相法合成了LiCo1/3Mn1/3Fe1/3PO4固溶体材料,研究溶剂比例、碳源对固溶体形貌及电化学性能的影响。结果表明:溶剂热法合成的材料粒径为140200 nm,0.1 C倍率下的放电容量为137 mAh g-1。以壳聚糖为碳源高温固相反应合成的材料在0.1 C倍率下的首次放电容量为147 mAh g-1;以吐温80为碳源在0.1 C时的首次放电容量为151 mAh g-1,50次循环后容量保持率为90%。蒸发辅助高温固相法合成的材料,粒径为170200 nm,0.1 C时的首次放电容量为150 mAh g-1,50次循环后容量保持率为85%。
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