离子掺杂磷酸钒锂正极材料的制备和电性能研究

论文总字数：24963字

摘 要

：碳酸锂、磷酸二氢铵、偏钒酸铵、一水合柠檬酸、二氧化锆作为为原料，通过溶胶-凝胶法制备掺杂不同程度的锆元素的Li_2.7V_2.10(PO₄)₃，以此作为正极材料，制作锂离子电池。通过充放电电池测试装置、阻抗（CV）测量系统测试电池性能，通过X射线衍射仪观测所制得的样品表面特征，分析所得图像结果，找出能提升电池性能的最合适的掺杂浓度，实验结果显示掺杂ZrO2的材料性能得到提高，3%掺杂效果最好。

关键词：锂离子电池； 正极材料； 磷酸钒锂； 掺杂； 二氧化锆。

Abstract: Li_2.7V_2.10(PO₄)₃ was produced from the raw materials of NH₄H₂(PO₄)₃,C₆H₈O_7·H₂O,NH₄VO_3, we choosed sol-gel method to prepare it. During the preparation processes, we used Zr as dopant of different concentration. Then the products were used as cathode material in lithium ion battery. There were some tests need to be done, such as charge-discharge test, impedance test, diffraction of X-ray,after all these we will analyze the experimental result to find the best concentration of dopant and discuss whether there is a way to further improve the performance.

KEYWORDS: Lithium ion battery; material; lithium vanadium phosphate; Dopant; Zirconium oxide.

目录

离子掺杂磷酸钒锂正极材料的制备和电性能研究 I

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 锂离子电池 5

1.1.1 锂离子电池的发展史 6

1.1.2 国内外的锂离子电池研究史和现状 6

1.1.3锂离子电池的优势 6

1.1.4 锂离子电池的工作原理 7

1.2 锂离子电池正极材料 7

1.2.1 正极材料的性能要求 7

1.2.2 常见正极材料的种类及优缺点 8

1.2.3钒元素的酸根盐作为正极材料优势 8

1.2.4提升正极材料性能的方法 9

1.3 磷酸钒锂 9

1.3.1 磷酸钒锂的结构 9

1.3.2磷酸钒锂的电化学性能 11

1.3.3掺杂的金属离子种类分析 11

1.4磷酸钒锂的合成方法 12

1.4.1 常见合成方法 12

1.4.2 溶胶-凝胶法 12

第二章 实验过程及结果分析 14

2.1 实验原料、仪器及检测方法 14

2.1.1实验原料 14

2.1.2 实验仪器 14

2.1.3 实验产物的检测方法 14

2.2 实验步骤及结果记录 14

2.2.1样品制备流程 15

2.2.2称量实验记录 15

2.2.3锂离子电池的装配 16

2.3 电池性能的测量 17

2.3.1电池电学性能的测量 17

2.3.2电池电学性能测量结果分析 18

2.4样品材料表面形态观测 25

2.4.1 X射线衍射原理 25

2.4.2 测试过程及结果 26

2.4.3 图像分析 27

第三章 结论和展望 28

3.1结论 28

3.2展望 28

参考文献 29

致谢 30

1. 绪论

随着如今化石能源的消耗，以电为动力的交通工具势必会成为将来市场的主流，而锂离子二次电池由于其对比镉镍电池、铅锌电池的巨大优势，势必会占据电动车电源市场的半壁江山。但电动车对其电源要求很高，必须能支持电动车的庞大动力系统，保障续航。如果能寻找合适的正极材料提高其特性，对于抢占化石能源消失后的交通市场有重大意义。

随着电子产品的普及，工业的快速发展，锂离子电池为适应市场需要有更高的要求，即更高的容量和更快速充放电功能。经长期研究发展，以碳材料作为负极负极材料的技术已经成熟，电解质的制造和选择也取得很大进展，而正极材料的开发相对滞后^[1]，因此锂电池的价格和性能受正极材料影响非常大。想要解决好正极材料的问题，可以通过开发新材料或改进提高现有材料的手段。电池内部锂离子的嵌入和脱出十分依赖正极材料的结构，正极材料性能高，则电池质量越高，锂-过渡金属磷酸盐因为其高能量密度、低成本、环保、安全特性，已经被广泛应用于可充电锂电池的正极，但它们的应用局限性在于其低电导率，直到现在低电导率仍被认为是锂-过渡金属磷酸盐极其化合物的固有性质。

现在探究表明，利用固溶处理过的非计量的超价锂可以增长电导率， 如LiFePO₄可增加8~10倍。生成的材料在低放电率条件下展示了高能态密度，并且保持了极小极化率6000mA/g下的高容量^[2]。在现今的锂电池设计中，还未找到最高能态密度的电池。这是一个极有探究价值的课题，如能探究出最合适的材料，将对锂电池的性能提高有重要意义。锂离

本文以锂电池正极材料的研究为主题，探究其在掺杂不同金属离子后对其性质的影响，旨在提高材料导电性。在了解不同掺杂材料的可能影响下，制定掺杂计划，制作掺杂材料，利用XRD等技术进行检验，用掺杂的材料制成正极装配电池，测试电池性能，分组研究。

1.1 锂离子电池

1.1.1 锂离子电池的发展史

最初的锂离子电池是以金属锂为负极材料的，此种电池在充放电过程中金属锂表面会产生孔状结构，这意味着一旦隔膜破裂就会引起短路，产生爆炸。安全性能不能得到有效保证。而循环使用时，负极上的锂可能与电解液发生反应，生成物沉积在负极表面，形成钝化膜，干扰电池的正常运作，降低充电效率和使用时间。1Armond在1980年首次提出了用可嵌脱锂离子的化合物代替金属锂，并在七年后成功组装出该种电池，令人失望的是，该电池嵌脱锂离子能力低，电池容量很小。1990年，Sony公司宣布开发出了LiCoO2为正极材料，石油焦为负极材料的新型锂电池，用石油焦这种碳材料来逆嵌入和脱出锂离子是一种很好的尝试，大大增加了电池的充放电次数，提高了安全系数。而且并未降低原锂离子电池的比容量、高端间电压等性能。在此基础上，投放民用市场的可充电电池延续了以碳材料为负极，锂化合物为正极的传统，锂离子电池以其优良的特性，占据了一个备受关注的地位。

近年来，随着手机、平板电脑等便携式电子产品的普及及一些电动工具的开发使用，高能的锂离子电池逐渐取代了镍镉电池等的市场地位。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：24963字