多孔結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰的可控合成及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、作為一種高性能的能量存儲系統(tǒng)，鋰離子電池（LIBs）給汽車工業(yè)帶來革命性的巨大前景，被認(rèn)為是近二十年的現(xiàn)代電化學(xué)研究中最令人印象深刻的成功之一。它們可以給大部分便攜式設(shè)備提供動力，并且逐步作為動力電源應(yīng)用到電動汽車。鋰離子電池電極材料尤其是正極材料的研制與開發(fā)是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究重點。
　　橄欖石型LiFePO4由于其固有的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，可以保證電池的安全和長循環(huán)壽命。此外，橄欖石型LiFePO4是由低成本和環(huán)境友好的Fe和P

2、O4基團(tuán)組成，這有利于它的大規(guī)模應(yīng)用。因而LiFePO4成為開發(fā)低成本、高性能正極材料的研究重點。但是，低的電子傳導(dǎo)率和低的鋰離子擴(kuò)散率降低了LiFePO4的倍率性能，使它的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。研究者們廣泛采取納米結(jié)構(gòu)和碳包覆相結(jié)合的路線來解決上述的問題。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，多孔納米結(jié)構(gòu)材料由于具有較大的比表面積、較多的活性位點以及較短的鋰離子的傳輸距離，可以極大地提高材料的電化學(xué)性能。
　　基于以上的考慮，本論文通過微波輔助溶劑熱

3、/水熱法和普通溶劑熱法合成了多孔納米等級結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰并將其用于鋰離子電池正極材料，討論了不同的實驗條件對形貌及性能的影響，研究其合成機(jī)理及電化學(xué)作用機(jī)制，探討結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）采用微波輔助溶劑熱法和后續(xù)的碳包覆過程制備出由50~100 nm的納米顆粒構(gòu)筑成的三維雙連續(xù)介孔-大孔等級結(jié)構(gòu)LiFePO4/C納米復(fù)合材料。豐富的三維大孔使得電解液能夠更好地滲透到材料中，促進(jìn)鋰離子的擴(kuò)散；介孔提供更多的

4、電化學(xué)反應(yīng)位點；LiFePO4納米顆粒外包覆的碳層可以提高電導(dǎo)率，從而促進(jìn)Fe3+到Fe2+的可逆反應(yīng)，并減小電極極化；此外，納米尺度的顆粒尺寸可以縮短鋰離子嵌入脫出的擴(kuò)散距離。因而所合成的LiFePO4/C復(fù)合材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
　?。?）分別采用微波輔助溶劑熱和水熱法配合后續(xù)的碳包覆過程制備出兩種多孔結(jié)構(gòu)LiFePO4/C微球。兩種多孔微球分散性好，尺寸均為1μm左右。所合成的兩種LiFePO4/C復(fù)合材料作為正極材料

5、均具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。這歸因于多個因素。一方面，多孔的結(jié)構(gòu)能夠提供更多的活性位點，可以加快Li+和e-在電極/電解液界面的擴(kuò)散遷移。另一方面，包覆的碳層可以提高材料的導(dǎo)電性。
　　（3）通過溶劑熱法和后續(xù)的碳包覆過程合成出一種由納米棒密堆積組裝成的等級結(jié)構(gòu)LiFePO4/C介晶材料。所合成的介晶材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。且隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，充放電比容量也隨之增加。這可能歸因于獨特的等級材料介晶結(jié)構(gòu)，使得材料具有很強(qiáng)的電化學(xué)反應(yīng)