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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:廖欣怡
研究生(外文):Hsin-YiLiao
論文名稱:核殼結構碳/磷酸鋰鐵複合材之製備及其於鋰離子電池之應用
論文名稱(外文):Preparation of C/LiFePO4 Core-Shell Composite Applied for Lithium-Ion Battery
指導教授:郭炳林郭炳林引用關係
指導教授(外文):Ping-Lin Kuo
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:化學工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:鋰離子電池正極材料磷酸鋰鐵核殼結構
外文關鍵詞:Li-ion batteriescathode materialsLiFePO4core-shell structure
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本研究是將LiFePO4的前驅鹽吸附於碳球表面,利用溶膠凝膠法合成出核殼結構C/LiFePO4複合材。使用不同的碳球種類、碳球添加量和不同的鍛燒溫度皆會影響C/LiFePO4的晶型、外觀形態以及電池性能。實驗中以X-射線繞射光譜、掃描式電子顯微鏡、穿透式電子顯微鏡、顯微拉曼光譜儀及電池性能測試鑑定C/LiFePO4複合材,可發現以600°C鍛燒所製備的C/LiFePO4複合材效能最佳。
在本研究中以三種不同尺寸及表面積的碳球,Lamp black、Super P以及中空中孔洞碳球製備C/LiFePO4複合材,其中以中空中孔洞碳球合成之C/LiFePO4複合材(HLFP)的外觀形態最接近完整核殼結構。而在電池性能測試中,HLFP在0.1C放電時電容量為146.7 mAh g-1,而在10C放電時電容量仍有81.5 mAh g-1,表示核殼結構的C/LiFePO4複合材對於高電流密度下的充放電是有幫助的。

C/LiFePO4 core-shell composites were synthesized by sol-gel method through adsorption of Fe3+, Li+ and PO43- ions onto the carbon sphere surface. The crystal structure, morphology and electrochemical performance of C/LiFePO4 varied at different calcination temperature, carbon sphere and carbon/Li+ ratio. In this study, X-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscope (TEM), Raman spectra and battery test system used to examine the C/LiFePO4 core-shell composites. It showed that the C/LiFePO4 composite which was annealing at 600°C had the best electrochemical performance.
C/LiFePO4 composites were synthesized by three different type carbon spheres which had different size and surface area, such as Lamp black, Super P and hollow carbon sphere. From SEM and TEM images, it showed that the morphology of C/LiFePO4 composites which were synthesized by hollow carbon sphere (HLFP) is near to core-shell shape. At 0.1 and 10C rates, the capacities were 146.7 and 81.5 mAh g-1, respectively. These results revealed that this core-shell electrode material can be a potential candidate for high-performance Li-ion batteries.

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 鋰離子電池簡介 1
1.3 正極材料 3
1.3.1 層狀結構之正極材料 5
1.3.1.1 鋰鈷氧化物(LiCoO2) 5
1.3.1.2 鋰鎳氧化物(LiNiO2) 6
1.3.2 尖晶石結構之正極材料 7
1.3.3 橄欖石結構之正極材料 7
1.4 負極材料 8
1.4.1 碳材負極材料 9
1.4.2 矽基負極材料 11
1.4.3 鋰鈦複合氧化物負極材料 11
1.5 電解質 12
1.5.1 液態電解液 13
1.5.2 高分子電解質 14
1.6 隔離膜 15
第二章 基本理論 17
2.1 鋰離子電池之工作原理 17
2.2 LiFePO4正極材料 18
2.2.1 LiFePO4的鋰離子擴散限制 19
2.2.2 LiFePO4的導電度限制 22
2.3 LiFePO4正極材料的製備方法 23
2.3.1 固相合成法 23
2.3.2 溶膠凝膠法 24
2.3.3 共沉澱法 25
2.3.4 溶劑熱法 26
2.4 LiFePO4正極材料改質技術 27
2.4.1 利用碳修飾改質 28
2.4.2 異相元素摻雜 29
2.4.3 非計量比合成 30
2.5 研究動機 30
第三章 實驗 32
3.1 實驗藥品與材料 32
3.2 樣品製備 33
3.2.1 中空中孔洞碳球之製備 33
3.2.2 核殼結構C/LiFePO4複合材之製備 33
3.3 實驗分析儀器與裝置 35
3.3.1 掃描式電子顯微鏡(SEM) 35
3.3.2 穿透式電子顯微鏡(TEM) 35
3.3.3 X-射線繞射光譜(XRD) 36
3.3.4 能量分散光譜儀(EDS) 36
3.3.5 氮氣等溫吸附/脫附測量(BET) 37
3.3.6 顯微拉曼光譜儀(Raman) 38
3.4 電池性能測試 39
3.4.1 正極之極片製作 39
3.4.2 鈕扣型電池組裝 39
3.4.3 電池性能測試方法步驟 40
第四章 結果與討論 41
4.1 鍛燒條件的最佳化 41
4.1.1 鍛燒溫度對C/LiFePO4晶格的影響分析 41
4.1.2 鍛燒溫度對C/LiFePO4外觀形態的影響分析 42
4.1.3 鍛燒溫度對碳含量及鍵結的影響分析 44
4.1.4 鍛燒溫度對C/LiFePO4電池性能的影響分析 46
4.2 碳材料分析 51
4.2.1 不同碳球外觀形態分析 51
4.2.2 不同碳球物理性質分析 52
4.3 不同碳球製備的C/LiFePO4複合材鑑定與電化學效能分析 55
4.3.1不同碳球對C/LiFePO4晶格的影響分析 55
4.3.2不同碳球對C/LiFePO4外觀形態的影響分析 57
4.3.3 C/LiFePO4碳含量及結晶分析 62
4.3.4 不同碳球對C/LiFePO4電池性能的影響分析 63
4.3.5 核殼結構與混摻性能比較 70
第五章 結論 72
參考文獻 74

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