锂离子电池正极材料LiFePO4的第一性原理计算及改性实验研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：中南大学CENTRALSOUTHUNIVERSITY硕士学位论文锂离子电池正极材料LiFePO4的第论文题目一性原理计算及改性实验研究学科、专业材料物理与化学研究生姓名刘和平导师姓名及苏玉长教授专业、技术职称原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的

2、说明。作者签名：日期：年月日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签名日期：年月日硕士学位论文摘要摘要在整个锂离子电池体系中，正极材料的性能至关重要。随着锂离子动力电池成为具有竞争力和发展前景的一类动力源，价廉高能的新型锂离子电池正极材料的开发应用是锂离子电池发展的重要任务。橄榄石型结构的LiFePO4作为锂

3、离子电池的正极材料，具有较高的理论容量，良好的循环性能，丰富的原料来源,低廉的成本，良好的安全性能以及对环境友好等特性。然而，LiFePO4低的电子电导率和锂离子迁移速率，制约了它在锂离子动力电池中的应用进程。本文采用第一性原理计算方法，对纯磷酸铁锂、掺杂改性磷酸铁锂材料的导电性和锂离子扩散性进行了初步研究。并采用固相法，通过掺锰和包覆碳，以及对合成条件进行优化，得到了性能优异，振实密度较高的磷酸铁锂正极材料。1，采用第一性原理计算方法，在不考虑电子自旋条件下，计算得出磷酸铁锂脱嵌锂电压平台为3.24V，略低于实验值；铁位替代25

4、％(原子比)的二价Mn，使费米面附近出现新的态密度，增加了费米面附近的态密度值，表明掺杂能提高材料的本征导电性。但采用过渡态搜索的方式计算扩散激活能时，发现同样的掺杂会导致锂离子扩散激活能的上升，对锂离子的扩散不利。2，研究了碳包覆对磷酸铁锂正极材料电化学性能的影响。采用酚醛树脂作为碳源，用固相球磨＋氩气保护烧结法制备了磷酸铁锂正极材料，碳包覆量为5％时电化学性能最佳。3，对碳包覆改性磷酸铁锂材料铁位掺Mn的实验研究。控制Mn掺杂量3％时，能进一步提高材料电化学性能，制备的改性材料以0.1C，0.5C，1C，2C充放电时，放电容量

5、稳定在154，145，140和135mAh/g左右，且循环性能优异。4，在保持改性磷酸铁锂电化学性能的基础上，通过工艺改进和选择新的原料两种方式提高材料的振实密度。碳包覆量5％条件下，优化预烧结工艺，振实密度由1.05g/cm3提高到1.22g/cm3。以0.1C、0.5C、1C、2C充放电时，放电容量分别为155.8、140、130、119mAh/g，电化学性能和振实密度同时得到提高；用廉价的氧化铁取代草酸亚铁，控制碳包覆量，也能提高材料的振实密度，制备的LiFePO4/C材料振实密度为1.15g/cm3，以1C充放电时质量比容

6、量为125.5mAh/g。I硕士学位论文摘要关键词：磷酸铁锂，锂离子电池正极材料，第一性原理计算，过渡态搜索，扩散激活能II硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTCathodematerialisveryimportantpartofthewholeLi-ionbattery.Followinghighpowerlithiumionbatterybecomesanewkindofpowersources.Theresearchofnewcathodematerialwithhighelectrochemicalperform

7、anceandlowcostisnecessary.AnewcathodematerialLiFePO4witholivinestructurewasreported.Ithashightheoreticalcapacity,goodcycleperformance,lowcost,safetyandinnocuity.ButitsshortcomingsarelowelectronicconductivityandLi-iondiffusionkinetics,whichrestrictthecommercializationo

8、fLiFePO4.Inthispaper,theconductivityandLi-iondiffusionpropertyofpureanddopedLiFePO4werestudiedusingfirstprinciplecalculation