LiFePO4-C微納米復(fù)合正極材料的合成與改性研究.pdf

1、自從1997年P(guān)adhi及其合作者第一次報(bào)道以來，橄欖石型磷酸鐵鋰材料作為最具前途的鋰離子正極材料之一而受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。磷酸鐵鋰因其比容量高(170mAh/g)、成本低、安全性好、循環(huán)性能優(yōu)異以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)特別適合用于電動汽車用動力電池、各種大功率電器用電池以及大規(guī)模能量存儲等領(lǐng)域。但是，由于LiFePO4在室溫下的電子電導(dǎo)率和離子導(dǎo)電率都相當(dāng)?shù)?，?dǎo)致其倍率性能較差。為解決這一問題，人們做了大量卓有成效的工作，包括在顆

2、粒表面包覆導(dǎo)電碳層或?qū)щ娊饘賹?、元素?fù)诫s、減小顆粒尺寸以及改善材料表面形貌等方法。
　　其中，電極材料的顆粒納米化在高功率密度應(yīng)用器件中得到了深入的研究。通過減小磷酸鐵鋰材料的顆粒尺寸，可以縮短鋰離子的有效擴(kuò)散距離，增大電荷載子的遷移表面積，從而有效提高材料的電化學(xué)性能。然而，顆粒納米化容易對材料的堆積密度以及體積能量密度造成不利影響，再加上橄欖石LiFePO4結(jié)構(gòu)的高各向異性，因此使得對顆粒形態(tài)的設(shè)計(jì)變得尤為重要。一般說來，具有

3、微米尺寸的球形粒子更容易形成緊密堆積的陣列結(jié)構(gòu)。因此，球狀磷酸鐵鋰微納米結(jié)構(gòu)材料滿足了高能量密度、高倍率性能鋰離子電池的設(shè)計(jì)需求。
　　本文主要采用優(yōu)化的碳熱還原工藝，通過對金屬氧化物前驅(qū)體即一次顆粒的設(shè)計(jì)與調(diào)控，一次性解決了高價(jià)鐵源、顆粒納米化、錳離子摻雜、球狀形貌設(shè)計(jì)、原位碳包覆等技術(shù)問題，分別制得了粒徑大小可控、顆粒分散均勻的球狀LiFePO4/C微納米復(fù)合材料以及球狀錳摻雜LiFePO4/C微納米復(fù)合材料。同時(shí)利用掃描電子

4、顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、熱重分析儀(TGA)、X射線電子衍射(XRD)以及元素分析儀等測試手段對材料進(jìn)行了表征，最后對材料進(jìn)行了電化學(xué)性能測試，并分析了其充放電反應(yīng)機(jī)理。主要工作如下:
　　1.采用熱重分析、對比不同合成條件下產(chǎn)物的XRD譜圖等手段，結(jié)合具體燒結(jié)條件對產(chǎn)物性能和形貌的影響，最終得出本文中LiFePO4/C微納米復(fù)合材料的最佳合成工藝，即首先通過水熱方法制備出尺寸可控的金屬氧化物前驅(qū)體，然后將反應(yīng)

5、混合物在保護(hù)氣氛下350℃預(yù)燒1h，最后750℃煅燒6h，由此制得LiFePO4/C微納米復(fù)合材料。使用該合成工藝制備出的LiFePO4/C微納米復(fù)合材料分散均一，結(jié)晶度高，電化學(xué)性能表現(xiàn)良好。材料在作為鋰離子電池正極材料時(shí)，在0.1C的電流密度下首次放電容量可達(dá)155mAh/g以上;采用0.5C的電流恒流充放電500次后，容量保持率高達(dá)98.2％，顯示出極好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　2.采用優(yōu)化的碳熱還原工藝，通過控制前驅(qū)體的組成以及