锂离子电池正极材料LiFePO4/C复合物的制备及电化学性能研究

来源 :新疆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wanghai19881016
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橄榄石结构LiFe PO4(LFP)由于其无污染,循环稳定好,成本低,安全性高,热稳定性好等特点,被认为是最有前景的锂离子电池正极材料之一。然而,其较低的电子电导率及锂离子扩散速率,导致其大倍率性能较差,严重地制约了其商品化的应用,多孔碳通常被用来包覆LFP,以提高材料的电化学性能。静电纺丝法是制备一维碳纤维及碳纤维基复合材料的通用方法。本文以静电纺丝技术为辅助方法,制备了一系列LFP/C复合材料,并对其电化学性能做了系统研究。此外,为了进一步提高其大倍率性能,使其在电动车等设备中得到大规模应用,我们采用石墨烯与超离子导体Li3V2(PO4)3共同改性LFP,得到了倍率容量高,循环性能好的复合材料。研究内容如下:(1)通过结合静电纺丝和低温水热两种技术制备了多级孔分布氮掺杂类石墨烯状碳膜原位包覆的LFP,该复合材料以静电纺丝高分子膜为碳源,在低温水热的过程中,LFP前驱体盐以静电纺丝高分子膜为软模板,在其表面异相成核,经过进一步煅烧,形成了颗粒较小的LFP均匀地被类石墨烯状碳膜原位包覆。该复合材料在0.1 C,0.5 C,1 C,5 C和8 C下的放电容量分别为174.2 mAh g-1,178.4 mAh g-1,156.9 mAh g-1,114.5 mAh g-1和102.2 mAh g-1。10 C下循环300圈,放电容量仍能保持在80 mAh g-1,容量保持率几乎达到100%,氮掺杂类石墨烯状碳膜提高了电子的导电性,多级孔分布结构有利于锂离子的扩散和电解液的渗透,从而提高了其电化学性能。(2)通过静电纺丝法直接制备了双连续相分级LFP/C介孔微米带,双溶剂的使用提高了纺丝液的可纺性,不仅增强了对盐的溶解性,同时降低了纺丝液的表面张力,这对形成一维介孔结构的微米带起了重要作用,分级微米带提供了一个双连续的离子电子传输通道,介孔材料有利于电解液的渗透。与单溶剂制备的LFP/C相比,该介孔微米带具有较高的比表面积,较多的电化学反应位点,较大的锂离子扩散系数,在0.5 C,1 C,3 C,5 C,10 C和15 C下的放电容量分别为153 mAh g-1,140.5 mAh g-1,114.8 mAh g-1,101.3 mAh g-1,84.1 mAh g-1和72.9 mAh g-1。在10 C下循环100圈后,放电容量仍能达到76.6 mAh g-1,容量保持率达到89.9%。(3)采用氧化还原法成功地合成了石墨烯修饰的LiFe PO4-Li3V2(PO4)3/C(LFP-LVP/C)复合正极材料,该方法不仅使用了无机碳源超导材料石墨烯,还用了有机碳源乙二胺、草酸,有机碳源既作为石墨烯的偶联剂,又原位还原了Fe3+、V5+,同时放出了CO2、NH3等气体,从而有利于石墨烯片层的打开,为该复合物提供了一个更有效的导电网络。由于LVP的三维网络结构,使锂离子可以快速传导,这种超离子导体提高了复合物的离子导电性,从而大大提高了其倍率性能。与石墨烯修饰的的LFP/C相比,该复合材料有更好的倍率性能,在8 A g-1电流密度下的首次放电容量为97.2 mAh g-1,更重要的是,该材料在10 A g-1的电流密度下首次放电容量可达91.7 mAh g-1,循环300圈后,其容量仍能保持在77.8 mAh g-1。
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