论文部分内容阅读
近年来,锂离子电池作为电化学能量存储和转换系统已广泛应用于电子产品,而且可再生能源和有效储能的需求不断增长表明锂离子电池将在未来继续发挥关键作用。磷酸铁锂（LiFePO4）因其价格低廉、环保、理论容量较高、循环寿命长和安全性能优良等特点而得到广泛研究。但是在高倍率应用时,会受到缓慢的锂离子和电子传输动力学的限制。本文主要通过水热法来合成磷酸铁锂,并进行碳材料包覆和铈掺杂的改性研究,改善磷酸铁锂正极材料低导电性能和低锂离子扩散速率的缺陷。通过因子实验设计对水热法制备磷酸铁锂的条件进行优化,设置加热时间、加热温度和抗坏血酸添加量作为变量因子,2.5～4.2 V,0.1 C的初始放电比容量作为响应量建立有效的模型。在实验设置范围内,抗坏血酸添加量对放电比容量的影响是最大的,而加热时间和加热温度对放电比容量的影响相当。抗坏血酸添加量和加热时间的交互效应最大,加热温度和加热时间的交互效应次之,抗坏血酸添加量和加热温度的交互效应最小。水热法制备磷酸铁锂的优化条件为加热时间为9 h,加热温度为210℃和抗坏血酸添加量为1.5 mmol。基于优化条件来制备磷酸铁锂,然后采用球磨法异位引入不同含量的碳纳米管或者石墨烯进行包覆改性研究。在2.5～4.2 V测试下,添加1 wt%碳纳米管包覆的磷酸铁锂效果好,0.1 C的放电比容量为159.3 m Ah·g-1,5 C保持在124.8 m Ah·g-1而且在2 C进行500次循环的容量保持率为100%。添加3 wt%石墨烯包覆量的磷酸铁锂效果突出,0.1 C的放电比容量分别为163.2 m Ah·g-1,5 C保持在130.3m Ah·g-1,2 C进行500次循环的容量保持率为100%。在铈掺杂改性研究中,2%铈掺杂的Li Fe0.98Ce0.02PO4/C在0.1 C的放电比容量为158.3 mAh·g-1,5 C保持在111.7 mAh·g-1而且在2 C进行500次循环的容量保持率为97.42%。与未改性的材料对比,碳材料包覆和铈掺杂改性的磷酸铁锂的放电性能均有所提高。通过不同的表征手段和电化学测试方法对材料的电化学性能进行评估。结果表明碳纳米管和石墨烯包覆改性以及铈掺杂改性都有效的提高磷酸铁锂导电性能和锂离子扩散速率。