磷酸铁锂、石墨烯正极材料概述

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1、磷酸铁锂、石墨烯正极材料概述第一章绪论1.1引言基于化石燃料储量日趋短缺和燃油车有害尾气成为大气主要污染源的现状，发展高效、环保、可持续发展的新能源汽车技术，开发汽车清洁代用能源，并实现产业化突破，成为目前世界汽车产业发展的最大热点[1]。经过持续的探索和研究，目前国际上对于汽车新能源技术的发展方向达成了基本共识：各种高新技术特别是新型动力电池技术的进步给以储能电池技术为基础的新能源汽车产业带来了新的发展机遇；锂离子电池作为新一代储能装置，尽管目前仍存在一系列需要攻克的技术难点，但其作为新一代汽车能源动力系统的解决方案被广泛看好。在混合动力和纯电动车中，动力电池的作用是储存并为电动机提供

2、电能，所以说混合动力和纯电动汽车的发展在很大程度上受动力电池电化学性能、成本和安全性能的影响。最早应用于车用电池的铅酸电池，由于自放电率高、比能量低、循环寿命短等缺点正逐渐被新型电池替代；镍镉电池由于循环使用寿命短、记忆效应严重且污染环境等缺陷使其在动力电池领域的发展前景渺茫；镍氢电池是镍镉电池的改进，虽具有比能量高、高低温性能好、安全耐用且无环境污染等优点，但其续航能力不足、自放电率较高等缺陷使镍氢电池只能作为过渡产品。与以上车用动力电池相比，锂离子电池具有能量密度高、无记忆性、绿色环保、低自放电率等诸多优点[2]，应用前景较好，必将成为纯电动汽车和插电式混合动力汽车的主要动力选择。1

3、.2锂离子电池工作原理锂离子电池本质上是由两种锂离子嵌入化合物组成，其主要由电解液、隔膜、正负极等材料构成。以锂离子圆柱电池为例，基本组成结构如图1-1所示。正极由正极材料混合导电添加剂和粘接剂涂覆在铝箔上；负极多为层状石墨涂覆在铜箔上；隔膜将电池正、负极隔开，防止两极直接接触短路。隔膜本身是不导电的，但锂离子可以通过。锂离子电池用的电解液通常是有机溶剂中溶有电解质锂盐的离子型导体，可以为锂离子提供运动媒介。锂离子电池的工作原理如图1-2所示。锂离子电池充电时，锂离子从正极材料晶格脱嵌经过电解质嵌入负极材料晶格，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子经外电路到达碳负极，使负极电荷平

4、衡；放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，穿过电解质和隔膜嵌入正极，回到正极的锂离子越多，放电容量越高[4-5]。在正常的充放电过程中，锂离子在层状结构的碳负极材料和正极材料间嵌入脱嵌。LiCoO2、LiNiO2等过渡金属氧化物中存在较多的低自旋配合物，使得晶格体积小，在锂离子嵌入或脱出晶格时，晶格体积变化小，结构稳定，因此循环充放电性能较好，另外充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程。第二章实验方法与测试表征2.1前言本论文主要研究了LiFePO4正极材料用导电添加剂石墨烯的高效、绿色还原方法；以石墨烯和氧化石墨烯为新型碳源，

5、固相法制备LiFePO4/石墨烯复合材料及其改性研究。首先采用绿色还原剂氢氧化亚铁还原氧化石墨烯制备了石墨烯，而后通过超声分散制备石墨烯在乙醇等有机溶剂中的稳定分散系。在超声条件下，通过混合磷酸铁锂颗粒和石墨烯分散系，使石墨烯均匀包覆在LiFePO4颗粒表面。另外，开展了一步法，原位石墨烯包覆制备LiFePO4/石墨烯复合材料的初步研究。采用XRD、SEM、AFM等分析表征手段对氧化石墨烯、石墨烯、LiFePO4及LiFePO4/石墨烯复合正极材料进行晶体结构和微观形貌分析，通过组装扣式电池测试正极材料充放电循环性能了解LiFePO4、LiFePO4/C及LiFePO4/石墨烯复合材料的

6、电化学性能。本章将主要介绍实验过程中用到的药品、仪器以及主要的材料表征和测试技术。2.1实验步骤及方法步骤一：制备氧化石墨烯的胶状悬浮液将天然鳞片石墨和强氧化剂加入强酸性溶液中，搅拌混合均匀后将体系温度升至35~45℃，持续搅拌1~3小时后加入去离子水，使体系温度升至80~100℃并保持1小时，反应结束后滴加一定量H2O2，停止搅拌静置分层，取下层氧化石墨悬浮液依次进行酸洗、水洗直至除去各种杂质粒子，最后经超声搅拌处理实现氧化石墨烯的单层剥离，得到氧化石墨烯胶状悬浮液。步骤二：石墨烯的制备取步骤一制备的氧化石墨烯胶状悬浮液，搅拌下加入碱性溶液调节pH至10~13，惰性保护气氛下加入二价铁

7、离子的化合物，在-10~50℃的反应温度下搅拌反应，反应结束后固液分离，将分离所得固体依次用稀盐酸、去离子水洗涤多次，干燥后即得到石墨烯，具体工艺流程如图2-1所示；或者是：取步骤一制备的氧化石墨烯胶状悬浮液，惰性保护气氛下加入二价铁离子的化合物，搅拌下加入碱性溶液调节pH至10~13，在-10~50℃的反应温度下搅拌反应，反应结束后固液分离，将分离所得固体依次用稀盐酸、去离子水洗涤多次，干燥后即得到石墨烯。高温固相烧结法制备LiF