不可再生的化石能源在二十一世纪将要开采殆尽，并且开采和利用这些能源也会给环境带来巨大的污染，因此以煤炭、石油为代表的传统化石能源将逐渐被可再生的新型清洁能源所取代。太阳能、风能、潮汐能等可再生能源大多具有间歇性的特点，难以直接并入电网而为人们所使用，这就需要借助于能源存储设备来进行调节;另一方面，为减少汽车尾气对城市大气的污染，人们开始尝试用新能源汽车来替代传统的汽车。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、对环境无污染等特点，已逐步应用于能源存储设备和新能源汽车，受到了科研工作者的高度关注。Li2FeSiO4作为锂离子电池的正极材料具有理论容量高、工作电压稳定、安全性高、循环性能好、原料资源丰富等优点，被认为是一种具有潜力的正极材料。然而目前制备结晶纯度很高的Li2FeSiO4比较困难，加之材料本身的导电性较差，使得上述优良性能难以发挥出来。综上所述，本文对Li2FeSiO4的合成工艺条件及掺杂对其电化学性能的影响进行了初步的探索，具体内容如下:
第一章在介绍锂离子电池的原理和结构基础上，综述了锂离子电池常见的几种正、负极材料及其优缺点，着重阐述了近年来Li2FeSiO4正极材料的结构、合成方法和相关的改性研究。
第二章以XRD图谱为检测手段，探索了制各Li2FeSiO4正极材料过程中合成条件对减少杂质相的影响。采用溶胶-凝胶-高温固相法制备出Li2FeSiO4正极材料。制备过程中影响产物晶相纯度的实验条件包括前驱体的制备条件、烧结温度、保护气氛等。通过改变实验条件并对比实验结果得出最佳的合成工艺为:不添加水、没有N2保护以及Li∶Fe∶Si的摩尔比为2.1∶1∶1时合成前驱体材料;前驱体在管式炉中烧结时N2气氛保护、700℃恒温10小时。在最佳合成工艺条件下，前驱体中加入一定量的蔗糖可以得到Li2FeSiO4/C复合材料，材料的XRD图谱显示晶体结构没有发生变化，结晶度也较高;扫描电镜照片显示材料颗粒分散均匀，尺寸较小，团聚现象得到明显的改善，1/32C放电条件下材料的首次放电比容量达到81.7mAh·g-1。
第三章对Li2FeSiO4正极材料的体相进行锡掺杂研究并讨论了掺杂对材料电化学性能的影响。Sn2+/Sn4+在充放电过程中理论上能够提供两个电子，使得材料容量能够真正实现部分嵌入/脱出两个锂离子的可能。XRD图谱显示掺杂后的样品Li2Fe1-xSnxSiO4/C(x=0.005、0.01、0.03、0.05)结构没有发生改变，只有掺杂量在x=0.10的条件下，样品XRD图中出现了锡单质的杂质峰。随着Sn掺杂含量的增加，掺杂后的样品首次放电容量出现先增后降的趋势，其中Li2Fe0.95Sn0.05SiO4/C放电容量最大(114.3mAhg-1)。通过对Li2Fe0.95Sn0.05SiO4/C材料的深入实验研究，发现它的形貌较规整，颗粒均匀，尺寸较小，团聚现象比没掺杂的样品有明显的降低。并且通过循环伏安和交流阻抗测试，发现材料的循环性能和电导率得到很大的改善。
在尝试了锡掺杂之后，本文最后一章研究了部分第三周期过渡金属(Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn)对Li2FeSiO4/C材料的改性影响。实验结果表明，掺杂后材料的形貌特征均得到了有效的改善，颗粒分散均匀，团聚现象降低。通过对比材料的首次放电容量，发现掺杂后材料的放电比容量都有所提高，掺杂Mn的材料提高最多，其次是掺杂V的材料。对Li2Fe1-xMnxSiO4/C(x=0.005、0.01、0.05)进行更进一步的研究后发现掺杂锰后的晶体结构没有发生改变，材料的导电率和首次放电容量均得到有效的提高，只是循环性能仍不够理想。
- 作 者：
- 张俊豪
- 学科专业：
- 物理化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 河南师范大学
- 导师姓名：
- 李苞
- 学位年度：
- 2014
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
