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针对LiFePO4材料电导率低、高倍率性能差等缺点,采用稀土离子掺杂的方法对其进行改性研究。稀土离子掺杂能提高材料的本征电导率,优化材料的各种性能。采用高温固相法,以FeC2O4·2H2O、Li2CO3、NH4H2PO4为原料,C6H12O6·H2O为碳源,合成LiFePO4/C正极材料,并对其进行稀土掺杂改性。利用XRD、SEM、激光粒度分析仪、程控恒流充放电测试系统等手段,对各个改性样品的结构、形貌和电化学性能进行表征。
以Li/F e摩尔比、合成温度、合成时间和掺碳量(C/Fe摩尔比)为考察因素,设计4因素3水平的正交试验,从而确定固相法合成LiFePO4/C的最佳工艺参数,即预烧350℃-3h,合成温度700℃,合成时间8 h, Li/Fe摩尔比1.00,掺碳量(C/F e摩尔比)1.5。此条件下合成的样品在0.2C时的放电比容量可达140.6mAh/g,1C倍率放电比容量为125.7mAh/g, 2C倍率放电比容量为114.6mAh/g。
研究了La3+、Ce3+、Nd3+、Y3+四种稀土离子掺杂对LiFePO4/C正极材料的晶体结构和电化学性能的影响。XRD测试表明,掺杂后的LiFePO4/C样品仍保持橄榄石晶体结构,各样品均为结晶完好的单一物相；SEM 和粒度分析测试表明,La3+、Ce3+、Nd3+掺杂可使材料粒径减小,而Y3+掺杂样品团聚较严重；恒流充放电测试表明,La3+、Ce3+掺杂可提高材料的倍率性能,其中Ce3+掺杂效果更佳,1C、2C、5C的放电比容量分别达到128.9 mAh/g、119.5 mAh/g和104.4 mAh/g。
研究了Ce3+不同掺杂量对LiFePO4/C正极材料的晶体结构和电化学性能的影响。XRD测试表明,掺杂后的LiFePO4/C样品仍保持橄榄石晶体结构,各样品均为结晶完好的单一物相；SEM和粒度分析测试表明,少量掺杂(0.5%、1.0%)能够有效抑制LiFePO4/C材料晶粒的长大,随掺杂量增大(1.5%),材料颗粒粒径变大；恒流充放电测试表明,当Ce3+掺杂量为1.0%时,材料的电化学性能最好。