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本文研究了溶剂热方法成功合成纳米片状的锂离子电池正极材料LiFePO4/C,通过热重差热、XRD、FTIR、拉曼光谱、扫描电镜和透射电镜等测试手段研究了LiFePO4/C的物相特性,并运用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)、充放电性能测试和锂离子电池锂离子扩散性能等对LiFePO4/C的电化学性能进行了研究。结果表明合成的纳米片状结构约为50nm长,包覆碳层约为5.10nm厚,这有利于LiFePO4中锂离子扩散性能的提高,对电化学性能的改善有很大帮助,减小了电化学极化,使得0.1C充放电时能够展现较高的容量164.5mAh/g(理论容量为170 mAh/g),1C充放电时也有143 mAh/g。通过交流阻抗技术对锂离子扩散性能进行了研究,研究表明LiFePO4材料形貌结构的控制有利于提高LiFePO4的电化学性能,纳米片状结构减小了锂离子扩散路径有利于提高锂离子的扩散性能并且能够充分的进行脱出和嵌入,对于合成高性能的锂离子电池材料特别是动力电池材料具有一定的启发。为开发新的性能优异的LiFePO4电池材料指出了方向----形貌结构的优化。采用容量间歇滴定技术(CITT)研究了不同电压、不同电流和不同循环次数下锂电池正极材料LiFePO4中Li+的扩散系数(D)。在0.2mA和0.4mA恒流充放电下测得扩散系数范围分别为8.8×10-16～8.9×10-14 cm2.s-1和1.2×10-16～8.5×10-14 cm2.s-1。从LiFePO4电极平衡电位3.06-3.45V之间的Tafel曲线可得阴极和阳极传递系数各为0.32～0.42和0.26～0.3,标准反应速率常数为1.58×10-9～1.30×10-8cm.s-1。通过这些动力学参数的确定,引入有限表面动力学限制对原CITT法测定的扩散系数进行修正后,在0.2mA和0.4mA恒流充放电下测得扩散系数范围分别为2.44×10-15 cm2.s-1～2.21×10-13 cm2.s-1和5.81×10-16 cm2.s-1～3.22×10-13 cm2.s-1。结果表明原CITT法由于近似无限电荷传输动力学导致测定的扩散系数比修正后要低,并且修正前后数值差别的程度和充电电流大小有关。
本文对恒流恒压充电机制进行了解释说明,并基于球形扩散模型对恒流过程中容量损失进行了模拟。通过模拟证实了在恒流充电过程中容量有损失,结果显示,由于电化学极化(大电流充电和较小的扩散系数、)造成的恒流过程中的容量损失能够在恒压过程中获得补偿。研究结果表明充电过程中容量损失随着充电电流的增大,离子半径的增大,扩散系数的减小而增大,因此,对于电极材料来说,较小的充电电流和离子尺寸,以及较大的扩散系数有利于电池性能的提高和减小容量损失。这部分的研究有利于对恒流恒压充电机制进行进一步的理解,也有利于对锂电池研究和设计。