多維硅酸亞鐵鋰納米材料的調(diào)控合成及儲(chǔ)鋰性能.pdf

1、基于化學(xué)能/電能儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化的新型電池及器件是當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。鋰離子電池以其質(zhì)量輕體積小、儲(chǔ)存容量高、壽命長(zhǎng)、安全性能高和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，受限于傳統(tǒng)正極材料較低的能量密度和功率密度，鋰離子電池還難以滿足下一代高端的動(dòng)力電池設(shè)備要求。新型的硅酸鹽正極材料具有理論比容量高，資源豐富，價(jià)格便宜，以及安全性能高等特性。其中中Li2FeSiO4由于具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，越來(lái)越受到人們的青睞，具有

2、廣闊的應(yīng)用前景。然而，Li2FeSiO4正極材料低的電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，限制了其應(yīng)用。
　　本文針對(duì)Li2FeSiO4正極材料存在的問題，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控，制備了多維的高比容量、長(zhǎng)壽命、高倍率性能的納米Li2FeSiO4鋰離子電池電極材料，主要獲得了以下創(chuàng)新性研究成果：
　　1.通過(guò)水熱法和有機(jī)聚合法制備了零維(0D)Li2FeSiO4納米晶/網(wǎng)絡(luò)碳復(fù)合鋰離子電池正極材料。得益于網(wǎng)絡(luò)碳的優(yōu)異導(dǎo)電性和納米晶的鋰離子快速

3、傳輸，這種新穎的復(fù)合材料在0.1 C的倍率下具有1.28個(gè)鋰離子脫嵌的比容量，實(shí)現(xiàn)了從Fe2+到Fe3+，再到Fe4+的連續(xù)兩部的氧化反應(yīng)。在0.5，1，2，5和10 C的不同倍率下，比容量分別達(dá)到189.8，175.6，148.9，125.7和106.6 mAh/g；經(jīng)過(guò)高倍率回到1 C后，其比容量仍然達(dá)到175 mAh/g。特別值得指出的是，在10 C倍率下經(jīng)1000次循環(huán)后，其比容量仍然高達(dá)90.9 mAh/g，保持率為97.7％

4、，具有優(yōu)異的倍率循環(huán)性能。
　　2.采用一種更廉價(jià)的三價(jià)鐵源水熱還原制備了一維（1D）Li2FeSiO4納米棒材料。研究發(fā)現(xiàn)，單一的Li2FeSiO4材料由于充放電過(guò)程中容易團(tuán)聚，引起比容量的快速衰減。為此，實(shí)驗(yàn)采用了一種簡(jiǎn)單的PVP錨定法將納米棒錨定于石墨烯片上，有效地抑制了活性材料的團(tuán)聚。而且，其中的石墨烯還能起到電子傳輸和緩解應(yīng)力作用。制備的納米棒狀Li2FeSiO4/石墨烯片復(fù)合材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能：當(dāng)作為鋰離子電池正

5、極材料在1.5-4.8 V之間進(jìn)行充放電時(shí)，在0.01 A/g（1/16 C）的電流密度下的放電比容量為298 mAh/g，且具有高的倍率性能和長(zhǎng)的循環(huán)壽命；當(dāng)作為鋰離子電池負(fù)極材料在0-3 V之間進(jìn)行充放電時(shí)，在0.02A/g（2/16 C）的電流密度下的首次放電比容量為1530 mAh/g，隨后的可逆容量為1160 mAh/g，倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能也非常突出。因此，采用石墨烯修飾納米棒狀Li2FeSiO4復(fù)合電極材料具有優(yōu)異的電化

6、學(xué)性能，完全適合下一代動(dòng)力鋰離子電池的需要。
　　3.通過(guò)乙二醇輔助的一步水熱法制備了具有等級(jí)梭形結(jié)構(gòu)的Li2FeSiO4材料。研究發(fā)現(xiàn)，梭形結(jié)構(gòu)是由單晶的納米片構(gòu)筑而成。經(jīng)電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在0.1 C下，該材料的首次放電比容量為180.6 mAh/g，庫(kù)倫效率為97.5％；2 C時(shí)，比容量為71.0 mAh/g，性能與傳統(tǒng)碳包覆Li2FeSiO4復(fù)合材料相當(dāng)。高的倍率容量主要?dú)w因于Li2FeSiO4特殊的等級(jí)結(jié)構(gòu)具有高的鋰離子擴(kuò)

7、散動(dòng)力學(xué)。
　　4.在等級(jí)梭形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)控制水熱反應(yīng)溫度和溶劑比例，獲得了一種新穎的、由單晶二維（2D）納米花瓣組裝而成的三維（3D）等級(jí)花形Li2FeSiO4材料。采用2-3 nm厚度的石墨烯進(jìn)行表面包覆和電化學(xué)活化后，該復(fù)合材料的比容量高達(dá)327.2 mAh/g，已接近兩個(gè)鋰離子的脫嵌，對(duì)應(yīng)的比能量為879 Wh/kg，優(yōu)于傳統(tǒng)的Li2Mn2O4（487 Wh/kg）和LiFePO4（500 Wh/kg）材料。進(jìn)一步