溶膠-凝膠法制備磷酸鐵鋰正極材料摻雜改性研究.pdf

1、LiFePO4正極材料因其特有的橄欖石晶體結(jié)構(gòu)而具備了能使鋰離子嵌入和脫出的充放電能力，這是它能成為正極材料的理論基礎(chǔ)，其原材料易得且價格便宜、有較高的工作電壓、安全無毒、理論比容量大、綠色環(huán)保且熱穩(wěn)定性好，是已初步商業(yè)化應(yīng)用和具有理想前景的鋰離子電池正極材料。但是，同樣因為LiFePO4自身的結(jié)構(gòu)和組成的特點而使其本身電子電導(dǎo)率很低，且鋰離子在晶體間擴散能力差。這些都限制了它的應(yīng)用前景，有很多方法可以提高 LiFePO4正極材料電化學(xué)

2、性能，其中摻雜改性是的最常用且有效的途徑。
　　在本文中，首先綜述了LiFePO4正極材料的發(fā)展和主要研究方向以及石墨烯作為導(dǎo)電材料的應(yīng)用等。具體研究了石墨烯摻雜改性 LiFePO4正極材料的摻雜量和不同摻雜階段對其電化學(xué)性能的影響，在最優(yōu)化的摻雜量和摻雜階段下同時加入鎂離子的影響等，并挑選了幾種稀土金屬元素中較便宜的金屬離子進行摻雜的探索性實驗。以進一步優(yōu)化 LiFePO4的電容量、循環(huán)與倍率性能等，促進鋰離子電池的商業(yè)化發(fā)展，

3、也為 LiFePO4正極材料以及其他正積極材料的摻雜改性提供新的思路。主要研究結(jié)果和內(nèi)容如下：
　　采用溶膠-凝膠法合成了碳包覆的LiFePO4/C正極材料，并在其前驅(qū)體合成階段分別加入了四種不同量的鑭系稀土金屬元素：氧化銩（Tm2O3)、氧化釤（Sm2O3)、氧化鈰（CeO2)、氧化釓(Gd2O3），對LiFePO4/C分別進行了質(zhì)量百分比分別為1％、2％、3％、5％的摻雜實驗，其中摻雜1％Gd3+、1％Ce4+和2％Ce4+會

4、使 LiFePO4/C的電化學(xué)性能提高，而摻雜1％Gd3+的效果最好，在0.1C下LiFePO4/C的比容量可達135.7mAh/g，10C下為85.5mAh/g，其50次充放電循環(huán)后任可保持93.3％的比容量，并具有較好的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌。
　　此外還在其不同合成的階段分別加入了不同質(zhì)量的石墨烯，通過 XRD、SEM、Raman、振實密度儀和電池測試系統(tǒng)等對所制備的LiFePO4/C的結(jié)構(gòu)、形貌、組成以及各種電化學(xué)性能進行了測

5、試，結(jié)果表明：LiFePO4/C正極材料的比電容量隨著石墨烯摻雜量的增加而增加，且在二次球磨前加入石墨烯的效果最好，但從經(jīng)濟實用、石墨烯的使用效率、振實密度這三個角度出發(fā)，2％石墨烯摻雜量的效果最好，其首次放電比容量為151.3mAh/g（0.1C），在10C下為122.4mAh/g，在0.1C下50次充放電循環(huán)后其比容量只損失了2.13％，它的振實密度為1.17 g/cm3，單位體積容量為177.0mAh/cm3。然而在二次球磨前加入

6、5％石墨烯的LiFePO4/C正極材料其首次放電比容量為159.6 mAh/g，但在0.1C下50次充放電循環(huán)后，其比容量損失了6.23％，且單位體積容量僅為150.0mAh/cm3?；趯iFePO4/C正極材料摻雜改性的優(yōu)化機理不同，在最優(yōu)化的條件下同時摻雜了已知對其電化學(xué)性能有較好改善的鎂離子，在摻雜2％鎂離子時，在0.1C下首次放電比容量為162.7mAh/g（理論容量的95.7％），循環(huán)50次后其比容量損失了6.23％，其單