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New advanced cathode material : LiMnPO 4 -LiFePO 4 core-shell structure

New advanced cathode material : LiMnPO 4 -LiFePO 4 core-shell structure. By Yan Suyuan. 目录. 锂离子电池正极材料的分类. LiMnPO 4 的优缺点及改性研究. 我的课题及相关文献. 我的设想和方案. 下一步的计划.

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Presentation Transcript

  1. New advanced cathode material : LiMnPO4-LiFePO4 core-shell structure By Yan Suyuan

  2. 目录 锂离子电池正极材料的分类 LiMnPO4的优缺点及改性研究 我的课题及相关文献 我的设想和方案 下一步的计划

  3. 锂离子电池正极材料的分类：1.二维层状结构如LiMO2 (M=Co、Ni、Mn) 和Li[Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ]O 2在二维层状结构正极材料结构中，间隙空位在一个平面内相互联通，允许Li+在整个平面内自由迁移，因而此种材料具有良好的导电性。 层状结构十分稳定，使 LiMO2具有畅通的 Li+脱嵌通道，因而性能稳定、放电平稳、循环性能优越。 LiCoO2是最早商业化的锂离子二次电池的正极材料。2.尖晶石结构（如LiMn2O4）三维框架结构提供了Li+扩散的三维通道，这些通道在三维空间相互交叉，支持快速锂扩散，且高倍率充放电性能好，比容量较大，但是循环稳定性较差，衰减较为严重。

  4. 3.一维隧道结构 如LiMPO4 (M=Fe Mn Ni Co) 一维隧道结构正极材料最大的优点是安全性好，在这类材料结构中，间隙空位只在一个方向上相互联通，形成 Li+一维脱嵌路径，但这种一维离子通道很容易受到晶格中杂质或错位等的影响而被堵塞导致材料的导电率低，高倍率放电性能差。 一维隧道结构正极材料以橄榄石结构的 LiMPO4（M=Fe，Co，Ni，Mn）为主。 LiMnPO4的充放电反应是一个两相反应的过程,即LiMnPO4和MnPO4之间的相转换。 其充放电反应如下: 充电:LiMnPO4-xLi-xe xMnPO4+(1-x)LiMnPO4 放电:MnPO4+xLi+xe xLiMnPO4+(1-x)MnPO4

  5. LiMnPO4 优点: 1.安全环保，原料来源广，稳定性 2. 对锂工作平台约4.1v,理论能量密度达 697Wh/kg（理论容量170mAh/g*4.1V)比 LiFePO4(595Wh/kg)高出20%。 缺点1.LiMnPO4禁带宽度较高(为2eV),导致其导电率极低（<10-10 S cm-1) 2.LiMnPO4中锂离子的扩散通道为一维结构，而且锂离子的扩散激活能较高，导致锂离子的扩散系数极低（10-16 cm2/s） 3.由于Mn3十的John-Teller效应导致LiMnP04/MnPO4之间的晶格差异较大(约11%）,使得Li+在穿越两相界面时存在较大的阻力,从而导致两相界面的移动速率较低,LiMnPO4的大倍率充放电性能较差

  6. 阳离子参杂 材料纳米化 LiMnPO4 碳包覆 解决方案

  7. 我的课题 LiMnPO4-LiFePO4 core-shell structure Bulk LiFePO4 Outer layer LiMnPO4 K. Zaghib,J.Power Sources.2012,204,177

  8. 相关文献 Seung-Min Oh, Yang-Kook Sun,Angew. Chem.2012, 51, 1853 –1856 Seung-Min Oh, Yang-Kook Sun, J.Power Sources.2012.1-5 Yang-Kook Sun,J. Phys. Chem. B ,2006, 110, 6810

  9. 设想： • 先做一个FePO4的核，再加入合成MnPO4的原料，看MnPO4是否长在了FePO4的表面上，然后加上锂源；为了提高其导电性能，最后加上碳源。 具体操作步骤如下： 1.合成FePO4 所得产品离心洗涤，120度烘干，550度在N2的气氛下煅烧，研磨，过筛500目。 然后加入H2O2(H2O2：FeSO4=1.2：2) 再加入氨水使其最终PH=2 烧杯 FeSO4 7H2O和H3PO4使其浓度为0.5M Seung-Min Oh, Yang-Kook Sun, Adv.Mater.2010,22,4842

  10. 2.合成FePO4-MnPO4核壳结构 本体系以乙醇和水为溶剂,加热温度50度。 加料顺序（1）加入乙醇和水(少量） （2）加入合成的FePO4粉末 (3) 加入Mn(NO3)2(aq) (4)加入H3PO4（aq） 搅拌5h之后，过滤，洗涤，室温真空干燥，得到的样品在空气中550度烧1h。

  11. 3.加碳源与锂源 将得到的粉末加入抗坏血酸(3%wt)中反应，然后在70度真空干燥箱烘干，然后再将所得的产品加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP(3%wt))，加入相应摩尔质量的Li2CO3, 70度真空干燥箱烘干。 其中抗坏血酸作为第一种碳源，PVP作为第二种碳源。将烘干的样品做TG和DSC测试，得到其煅烧温度，且设煅烧时间为12h。 同时在相同的条件下合成了LiMnPO4/C作为比较

  12. 下一步的计划： 1.在相同条件下合成的MnPO4和FePO4球磨混合，然后按相同的方法加入锂源和碳源，作为比较。 2.首先做XRD,看是否形成了LiFePO4和LiMnPO4，再做SEM和EELS(EDX)目的看是否形成了核壳结构 3.组装纽扣电池，测其充放电性能，循环性能等 4.以不同比例的FePO4和MnPO4混合得到不同厚度的核壳结构，比较看一下哪一比例的性能更好。

  13. Thank You For Your Attention

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