LiFePO4/PANI复合锂离子电池正极材料的制备与性能研究

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采用低温溶剂热法合成了LiFePO4,并以蔗糖为碳源,通过热处理方法制备出碳包覆C-LiFePO4正极材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、恒电流充放电以及循环伏安(CV)等方法对样品进行结构表征和电化学性能测试。结果表明:采用丙三醇(甘油)为溶剂,相对低温条件下(120℃)合成的LiFePO4具有橄榄石型晶体结构,呈纺锤体形貌。反应浓度对颗粒的尺寸影响较大。浓度越高,颗粒尺寸越小;但浓度太高,颗粒会团聚。对比充放电性能,0.5 M下制备的C-LiFePO4(C-LFP0.5)表现出了更优的充放电性能。室温下以变化倍率的充放电测试中,倍率为0.1、0.2、0.5、1、2和5 C时,C-LFP0.5样品的首次放电比容量分别为153.9、147.0、135.4、123.0、113.3和84.7 mAh·g-1;当倍率再次减小到0.1 C时,放电比容量又基本恢复至原来水平。同时,循环伏安(CV)结果表明,Li+在C-LFP0.5样品内部嵌入/脱嵌时具有更好的可逆性。采用化学氧化聚合分别合成了盐酸(HC1)、十二烷基苯磺酸(DBSA)和樟脑磺酸(CSA)掺杂的聚苯胺。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)和紫外-可见光谱(UV)对其结构进行表征,并利用恒流充放电测试方法对其作为锂离子电池正极材料的充放电性能进行研究。结果表明,本征态及不同酸掺杂的PANI的聚集态结构均为颗粒团聚状;颗粒大小与不同的掺杂剂所带的官能团不同所致。采用大尺寸的有机磺酸(DBSA和CSA)掺杂更有利于电荷的跃迁,电导率更高。充放电性能表明,酸掺杂PANI作为锂离子电池正极材料均具有较高的比容量,其中以CSA掺杂样品(PANI-CSA)最佳。在17 mA·h-1·g-1的充放电速率下,PANI-CSA的首次充放电比容量为125.3和118.2mAh·g-1,经过50次循环后仍保持在82.5 mAh·g-1。通过溶液共混法将PANI-CSA分别与三种浓度下制备的C-LiFePO4复合制备出C-LiFePO4/PANI-CSA复合正极材料。利用扫描电镜(SEM)、热重分析(TG-DTA)、恒电流充放电以及交流阻抗(EIS)测试等方法对样品进行结构表征和电化学性能测试。结果表明:溶液包覆复合的方式能将PANI有效地包覆在C-LiFePO4颗粒表面。适量的PANI包覆复合能在一定程度上改善C-LiFePO4的电化学性能。特别对于C-LFP0.5,当包覆量为 10%时,C-LFP0.5/10%PANI-CSA复合材料在0.1 C充放电倍率下的首次放电容量达165.3 mAh·g-1;当倍率提高为0.2、0.5、1、2和5 C时,复合材料的放电比容量也分别达到154、141.9、133.7、124.8和108.7 mAh·g-1。同时,交流阻抗分析表明,C-LiFePO4/PANI-CSA复合材料具有更低的界面电荷转移阻抗。
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