石墨烯改性LiFePO4正極材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)具有資源豐富、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好、安全性能好等優(yōu)勢(shì),是目前很有潛力和前景的新一代鋰離子電池正極材料。但是其工作電壓、電子電導(dǎo)率和 Li+遷移速率均較低的缺點(diǎn)導(dǎo)致其可逆容量低和大電流充放電性能差,從而嚴(yán)重影響了其在鋰離子電池中的應(yīng)用進(jìn)程。目前,動(dòng)力電池用 LiFePO4普遍采用碳包覆的方法解決此問(wèn)題,且已有大量研究表明石墨烯(graphene,簡(jiǎn)稱 G)作為一種特殊的新型碳源亦能很好地彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)

2、,從而改善LiFePO4正極材料的電化學(xué)性能。
　　本文研究了乙二醇輔助水熱法制備 LiFePO4;化學(xué)還原-冷凍干燥法制備Ag-G復(fù)合材料并用作改性材料,溶劑熱法制備LiFePO4/Ag-G復(fù)合材料;以氧化石墨烯(GO)作為新型碳源,共沉淀-焙燒法制備LiFePO4/G復(fù)合材料。利用X射線衍射圖譜(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、熱重分析(TGA)等表征手段對(duì)合成材料進(jìn)行了形貌結(jié)構(gòu)表征;并采用循環(huán)伏安(CV)、

3、恒電流充放電以及電化學(xué)阻抗圖譜(EIS)等測(cè)試手段對(duì)合成材料進(jìn)行了電化學(xué)性能表征。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.研究了樣品熱處理前后、溶劑種類(lèi)對(duì) LiFePO4形貌結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。以乙二醇/水(1:1)為溶劑合成的 LiFePO4經(jīng)熱處理后與處理前對(duì)比發(fā)現(xiàn),熱處理前合成產(chǎn)物的晶型已經(jīng)很完整,熱處理不會(huì)改變LiFePO4的橄欖石晶體結(jié)構(gòu);熱處理后顆粒有所減小,表明熱處理可以在一定程度上細(xì)化顆粒尺寸,顆粒之間容易產(chǎn)生緊密堆

4、積。乙二醇/水作溶劑合成的 LiFePO4顆粒較小,易堆積生成紡錘形的結(jié)構(gòu),可能原因是乙二醇的引入降低了溶液的介電系數(shù)和顆粒的ζ電位,吸附在顆粒表面阻礙顆粒長(zhǎng)大,易取向堆積成紡錘形的二次粒子。以水和乙二醇/水(體積比為1:1)分別作溶劑得到的 LiFePO4正極材料首次放電比容量分別為111 mAh·g-1和124mAh·g-1(0.1C),后者放電平臺(tái)平穩(wěn),極化電位較小,倍率性能較為優(yōu)越,這歸因于乙二醇/水體系下合成的 LiFePO4

5、顆粒較為細(xì)小,結(jié)晶度較高以及特殊的形貌結(jié)構(gòu)使得充放電過(guò)程中極化程度降低,極大地改善了LiFePO4倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　2.結(jié)合前面的研究,以化學(xué)還原-冷凍干燥法合成的 Ag-G復(fù)合材料作為改性材料,以乙二醇/水為溶劑結(jié)合熱處理合成了紡錘形的LiFePO4/Ag-G正極材料,并進(jìn)行一系列測(cè)試。結(jié)果表明Ag-G的引入沒(méi)有改變LiFePO4的橄欖石結(jié)構(gòu),溶劑熱法合成的 LiFePO4/Ag-G正極材料具有優(yōu)越的電化學(xué)容量和倍率性

6、能,Li+嵌入和脫嵌的過(guò)程屬于擴(kuò)散控制,在電流密度為0.1C和5C放電時(shí),放電比容量分別可達(dá)到156 mAh·g-1和116 mAh·g-1。
　　3.以抗壞血酸和氧化石墨烯為包覆碳源,采用共沉淀-焙燒法合成了LiFePO4/G和LiFePO4/C正極材料,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行表征。測(cè)試結(jié)果表明,石墨烯和普通碳顆粒的引入并沒(méi)有改變LiFePO4的橄欖石晶體結(jié)構(gòu);石墨烯在細(xì)化顆粒和均勻分布上的效果優(yōu)于普通碳顆粒,使LiFePO