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1、隨著日益增長(zhǎng)的能源需求和資源能源的短缺,鋰離子電池在電子器件、電動(dòng)車輛和風(fēng)光儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。橄欖石LiFePO4因其高理論容量(170mAh/g)、高工作電壓(vs Li/Li+)、良好的熱穩(wěn)定性和綠色環(huán)保而成為最具有大規(guī)模應(yīng)用前景的動(dòng)力電池正極材料之一。但較低的電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)限制了其大功率應(yīng)用?;诖?,本論文通過固相法制備了LiFePO4正極材料,研究合成溫度和保溫時(shí)間對(duì)其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響,優(yōu)化了工藝條件
2、。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合第一性原理計(jì)算對(duì)其進(jìn)行摻雜改性實(shí)驗(yàn)研究。
本文研究了合成溫度和保溫時(shí)間對(duì)LiFePO4正極材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明,400℃預(yù)燒,750℃保溫15h制備的LiFePO4正極材料顆粒更小,粒度分布更加均勻,具有更好的電化學(xué)性能。在2.5-4.1V電壓范圍,0.1C首次放電比容量為153.2 mAh/g。
針對(duì)LiFePO4較差的電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)問題,陽(yáng)離子摻雜被認(rèn)為是最有效的改善方法之一。
3、在本論文中,基于第一性原理計(jì)算研究了摻雜對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響,計(jì)算結(jié)果表明Na、K、Mn和V摻雜均減小了LiFePO4的帶隙,改善了材料的電導(dǎo)率和鋰離子的擴(kuò)散。分別以無(wú)水碳酸鈉、無(wú)水碳酸鉀、C4H6MnO4·4H2O和V2O5為摻雜原料,通過固相法制備了摻雜的LiFePO4正極材料。在不同鈉摻雜濃度的LiFePO4正極材料中,Li099Na0.01FePO4樣品具有最優(yōu)的電化學(xué)性能。電化學(xué)測(cè)試表明適量的鈉摻雜改善了材
4、料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能,并減小材料的電荷轉(zhuǎn)移阻抗,改善電化學(xué)活性。在Li1-xKxFePO4(x=0,0.005,0.01,0.02)樣品中,Li0.995K0005FePO4在1C100次循環(huán)后容量保持率約為96.4%。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,K離子摻雜提高了材料的電導(dǎo)率,拓寬了鋰離子的擴(kuò)散通道,因此改善了材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。錳摻雜LiFePO4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LiFe05Mn05PO4的電化學(xué)性能最優(yōu),錳摻雜提高了電池的放電電
5、壓平臺(tái),改善了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。在1C循環(huán)100次容量保持率為95.6%。釩摻雜LiFePO4正極材料中,摻雜2% V2O5樣品1C100次循環(huán)后容量幾乎無(wú)衰減,該樣品具有最優(yōu)的大倍率性能,V2O5摻雜減小了LiFePO4的電荷轉(zhuǎn)移阻抗,提高了材料的電化學(xué)活性,改善了鋰離子的擴(kuò)散。因此,適量的釩摻雜可以改善材料的循環(huán)性能和倍率性能。
基于以上研究,通過第一性原理計(jì)算研究了Na和Mn復(fù)合摻雜LiFePO4的電子結(jié)構(gòu),利用固相法制
6、備了1%Na和50%Mn復(fù)合摻雜的Li099Na0.01Fe0.5Mn0.5PO4正極材料。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合摻雜改善了LiFePO4的電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散,從而改善了LiFePO4正極材料的倍率性能和循環(huán)過程中的穩(wěn)定性。電化學(xué)結(jié)果顯示Na和Mn復(fù)合摻雜但提高了電池的放電電壓平臺(tái),Li0.99Na001Fe05Mn05PO4正極材料在0.2C、0.5C、1C、3C倍率下的首次放電比容量相對(duì)于0.1C的百分比分別為89.3%、86.
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