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摘 要

本文在分析锂离子电池正极材料研究进展的基础上，开展了对Li₂FeSiO₄正极材料的研究。通过溶胶凝胶法制备了Li₂FeSiO₄粉末和锂过量Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄(x=0.05，0.1，0.2）粉末材料。采用X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微分析镜（FE-SEM）、恒流充放电测试、交流阻抗测试（EIS）等手段分析了Li过量对Li₂FeSiO₄结构、形貌以及电化学性能的影响。研究结果如下：

(1) 通过XRD测试发现，采用溶胶凝胶法结合热处理工艺成功制得不同锂量的Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄（x=0，0.05，0.1，0.2）正极材料。

(2) 通过FE-SEM分析发现，锂过量对Li₂FeSiO₄材料的表观形貌并无太大改变所有试样均是由纳米二次颗粒形成的团聚体。

(3) 通过电化学测试发现，相比于原始的Li₂FeSiO₄，适量锂过量的Li₂FeSiO₄材料，电荷转移电阻减小，放电容量提高。这表明适量锂过量可以改善该材料的导电性，降低了极化，从而提高了电池的电化学性能，但这种改善并不明显。关键词：锂离子电池；正极材料；Li₂FeSiO₄；锂过量

Electrochemical behavior of lithium excess Li₂FeSiO₄ cathode materials

Abstract

Li₂FeSiO₄ cathode material was selected as the subject of this paper based on the previous review of cathode materials for lithium-ion batteries. Pure Li₂FeSiO₄ powder and three kinds of lithium excess Li₂FeSiO₄ powders were prepared by sol-gel method. The effects on phase structure, morphology and electrochemical performance of lithium excess were studied by XRD, FE-SEM, galvanostatic charge/discharge testing and EIS. The research indicates:

(1) Through the XRD test, Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄(x=0, 0.05, 0.1, 0.2) cathode materials were successfully prepared by sol-gel method combined with heat treatment.

(2) Through the FE-SEM test, excess Li content has no significant effect on the morphology of Li₂FeSiO₄ cathode materials. All samples exhibited severe agglomeration by nanosized primary particles.

(3) We found through the electrochemical measurements that samples with appropriate lithium excess had smaller charge transfer resistance and higher discharge capacity than those of pristine Li₂FeSiO₄. This suggested that excess lithium could enhance the conductivity of Li₂FeSiO₄ materials, thus decreasing the electrochemical polarization and improving the electrochemical performance, however, the improvement was not significant.

Key words: lithium-ion battery; cathode material; Li₂FeSiO₄; lithium excess

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

引言 1

1.1锂离子电池 1

1.1.1锂离子电池的结构 1

1.1.2锂离子电池的工作原理 2

1.1.3锂离子电池的特点 3

1.1.4锂离子电池的应用 4

1.2锂离子电池正极材料 5

1.2.1 层状钴酸锂(LiCoO₂) 6

1.2.2 三元材料NMC 6

1.2.3尖晶石锰酸锂正极材料 7

1.2.4 磷酸铁锂正极材料 7

1.3 硅酸盐正极材料 8

1.3.1 Li₂FeSiO₄ 的结构与性能 8

1.3.2 Li₂ FeSiO₄制备方法 9

1.3.3 Li₂FeSiO₄的改性研究 10

本文的研究目的与主要内容 12

第二章 实验设计 13

2.1实验试剂及设备 13

2.2活性物质的制备 13

2.3物相结构及形貌尺寸分析 14

2.3.1 X射线衍射分析 14

2.3.2 扫描电子显微分析 14

2.4电池的制作 15

2.4.1 正极片的制作 15

2.4.2 电池的组装 15

2.5电化学性能测试 16

2.5.1 恒流充放电测试 16

2.5.2 电化学阻抗测试 16

第三章 实验结果及分析 18

3.1 Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄（x=0，0.05，0.1，0.2）的XRD图分析 18

3.2 Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄（x=0，0.05，0.1，0.2）的SEM图分析 19

3.3 Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄（x=0，0.05，0.1，0.2）的电化学性能分析 20

3.3.1 Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄（x=0，0.05，0.1，0.2）的前三次恒流充放电曲线 20

3.3.2 Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄（x=0，0.05，0.1，0.2）的循环稳定性能曲线 21

3.3.3 Li_{2 2x}Fe_1-xSiO₄（x=0，0.05，0.1，0.2）的交流阻抗图谱 22

3.4 小结 23

第四章 结论与展望 24

4.1结论 24

4.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

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