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磷酸铁锂作为新一代锂离子电池正极材料,具有较高的理论比容量,较宽的电化学窗口,较好的热稳定性,低廉的成本和优良的环保性能,因而成为锂离子电池最有前途的正极材料。
本文采用固相法、水热法、乳化法和溶胶碳热法制备出橄榄石型的LiFePO4,针对其固有结构导致的低电子传导性和离子扩散率问题,进行了碳包覆和金属离子(Zn2+、Sr2+、Eu3+、Dy3+)体相掺杂改性,对制备出的样品进行了X射线衍射、扫描电镜、交流阻抗、循环伏安和充放电测试,据此分析了样品的结构、形貌和电化学性能。
研究结果表明:乳化法成功的制备出了六方晶型的FePO4,但以此制备的LiFePO4有少许杂相;固相法、水热法和溶胶碳热法制备的材料均有完备的橄榄石结构,无任何杂相;其中,溶胶碳热法制备的样品其平台容量和容量保持率均最高,水热法的容量保持率和乳化法的平台容量分别最低。对溶胶碳热法制备的LiFePO4进行碳包覆后发现:包覆后的材料颗粒发生细化,电极反应阻抗降低,可逆性能增强,材料初始容量和循环性能都得到明显的提高,0.1C、0.2C和0.5C倍率下的初始放电容量分别为147.9mAh/g、133.3mAh/g和122.1mAh/g,循环20次后容量分别衰减了3.0%、2.7%和2.4%。采用金属离子对其进行体相掺杂研究表明:掺杂少量的Zn2+、Sr2+、Dy3+、Eu3+的样品均没有改变LiFePO4的晶体结构,但晶胞参数发生不同程度的增大。循环性能均比未掺杂的原样有明显改善,但初始容量迥异,掺杂1%Sr2+、Zn2+的样品初始容量明显提高,0.1C倍率下放电分别为139.9mAh/g和130.4mAh/g,但掺杂量继续增加,反而会导致容量降低。掺杂1%的Dy3+样品初始容量与原样接近,为90.0mAh/g,掺杂1%Eu3+的样品初始容量与原样相比反而降低,仅有60.1mAh/g。对掺杂1%Zn2+样品进行碳包覆研究显示:0.1C倍率下放电容量为159.2 mAh/g,提高至0.5C后,放电比容量仍有137.3 mAh/g,200次循环容量衰减率不超过5%。