磷酸鐵鋰-碳復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化.pdf

1、磷酸鐵鋰(LiFePO4)具有規(guī)則的橄欖石型結(jié)構(gòu)，理論比容量相對較高（170mAhg-1），具有良好的熱穩(wěn)定性、較小的吸濕性和優(yōu)良的充放電循環(huán)性能，因而被認(rèn)為是鋰離子動力電池發(fā)展的理想正極材料之一。但LiFePO4較低的電子電導(dǎo)和離子傳導(dǎo)嚴(yán)重影響了它的電化學(xué)性能。本論文在綜述國內(nèi)外LiFePO4材料研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了不同碳源對LiFePO4/C電化學(xué)性能的影響，并深入研究了碳?xì)饽z(Carbon aerogel，CA)對LiF

2、ePO4/C的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電化學(xué)性能的改善作用。
　　選擇聚乙二醇(PEG)、葡萄糖、蔗糖、檸檬酸作為碳源，用固相法碳熱還原技術(shù)制備的LiFePO4/C中晶粒大小約100nm，在碳包覆層的作用下團(tuán)聚在一起形成數(shù)百納米至幾微米的顆粒。LiFePO4/C的碳含量與碳源的加入量成線性正比關(guān)系。適當(dāng)?shù)奶己磕芴岣卟牧系膶?dǎo)電率并改善其電化學(xué)性能，但碳含量太高在一定程度上阻礙了鋰離子的擴(kuò)散，增加材料在充放電過程中的極化，影響其放電比容量。與三價

3、鐵源相比，二價鐵源制備的LiFePO4/C顆粒明顯更小，其電化學(xué)性能也相對更好。采用二價鐵源時，PEG、檸檬酸、葡萄糖和蔗糖作為碳源制備的LiFePO4/C分別在碳含量為4.87％、9.13％、1.81％和5.31％時具有最好的放電性能，在0.1C、0.5C和1C放電倍率下的放電比容量均在140mAhg-1、120mAhg-1和110mAhg-1左右。四種碳源對LiFePO4/C電化學(xué)性能的影響區(qū)別不大，但具有相似放電比容量時的碳含量不

4、同，其中葡萄糖和蔗糖的添加量最少。
　　制備的不同孔徑大小和分布的碳?xì)饽z有很大的比表面積和孔體積，具有大量的微孔和介孔。合成的LiFePO4/CA納米復(fù)合材料中LiFePO4顆粒尺寸小于50nm，并嵌在導(dǎo)電三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳?xì)饽z中，具有比較理想的納米結(jié)構(gòu)。LiFePO4/CA材料在0.2C充放電倍率下的放電比容量接近理論值，而且倍率性能很好，其中LiFePO4/CA500在80C倍率下放電比容量達(dá)到71.6mAhg-1。CA的K

5、OH活化處理能提高LiFePO4/CA500的電化學(xué)性能，LiFePO4/ACA500在10C、40C、80C的放電比容量分別為141.3mAhg-1、112.4mAhg-1、71.9mAhg-1。在制備過程中添加適量的葡萄糖，能進(jìn)一步改善LiFePO4/CA1500的倍率性能，10C和40C放電比容量達(dá)到141.6mAhg-1和90.7mAhg-1。LiFePO4/CA材料具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，1C充電10C放電，經(jīng)過1000次循環(huán)后

6、材料的容量保持率在99％左右。本論文的研究表明通過優(yōu)化LiFePO4/C的納米結(jié)構(gòu)可改善LiFePO4的電化學(xué)性能。
　　加入少量CA的LiFePO4/C材料的碳含量小于10％，CA的加入改善了LiFePO4顆粒的形貌，顆粒感增強，尺寸變小，縮短了鋰離子的傳輸距離，使其具有更好的鋰離子傳導(dǎo)能力;而CA本身具有的多孔結(jié)構(gòu)也會大大增加LiFePO4/C材料的比表面積，增大材料與電解液的接觸面積，改善其電化學(xué)性能。溶膠-凝膠法制備的Li