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论文简要介绍了锂离子二次电池的原理,结构和目前正极材料的研究现状,并且详尽介绍了近年来聚阴离子型Li2FeSiO4正极材料的研究成果。Li2FeSiO4具有结构稳定、理论比容量高、原料成本低和环境友好等特点,引起了人们的广泛关注。然而Li2FeSiO4制备方法较为繁琐,煅烧时需要惰性气体保护。另外其电导率和锂离子扩散系数低以及在室温下倍率性能差等缺点都是目前研究亟待解决的问题。本文主要采用固相球磨法制备了未包覆碳的Li2FeSiO4材料:采用溶胶凝胶法,通过较短的溶胶凝胶过程制备了多孔的具有较大比表面积的碳包覆Li2FeSiO4/C复合材料;系统研究了碳包覆量对Li2FeSiO4/C复合材料物理和电化学性能的影响。主要研究内容如下:
(1)以二氧化硅、草酸亚铁和硝酸锂为原料在氩气保护下采用球磨法制备了Li2FeSiO4。以硝酸铁、硝酸锂、硅酸四乙酯和酒石酸为原料采用溶胶凝胶法制备了多孔的纳米Li2FeSiO4/C复合材料。在溶胶凝胶法中,研究了煅烧温度、煅烧时间以及溶剂组成对Li2FeSiO4/C物相和形貌的影响。最终确定合成Li2FeSiO4/C复的最佳制备条件为:溶胶的制备采用水和乙醇比例为1:1的混合溶剂体系,得到的凝胶在氩气气氛,600℃下煅烧8 h。
(2)通过在溶胶凝胶过程中调节酒石酸的加入量进一步得到不同碳包覆量的Li2FeSiO4/C复合材料。通过XRD、SEM、Raman、BET、LAND、CV等测试方法系统研究其物理性质和电化学性质。研究结果表明:碳包覆可以大大提高材料的电导率及电化学性能,但是过多的碳包覆会使复合材料的振实密度降低,而且不利于锂离子的快速脱嵌。综合分析,具有约8 wt%的碳包覆量的Li2FeSiO4/C复合材料表现出最优的电化学性能,在1.5-4.8 V,以1C(1C=160mAg-1)充放电首次放电可达155.3 mAhg-1,50周循环后仍能具有130.2 mAhg-1的可逆容量:经过连续倍率充放电测试,在5C下最高可获得101.9 mAhg-1的可逆容量。