鋰離子電池正極材料LiFePO-,4-的制備及摻雜改性研究.pdf

1、橄欖石型LiFePO<,4>正極材料因其循環(huán)性能好，安全，環(huán)保，原料來源豐富、價格低廉，被認為是一種極具應用潛力的動力型鋰離子電池正極材料，可廣泛用于電動汽車等領域。但是LiFePO<,4>材料因其低的電子電導率和鋰離子遷移速度，嚴重影響其高倍率性能，阻礙了它的商業(yè)化應用進程。本文在產業(yè)化條件下以合成高性能LiFePO<,4>/C正極材料為目標，采用高溫固相法，設計了三種不同制備工藝，利用恒流充放電、循環(huán)伏安和交流阻抗測試，結合XRD，

2、TEM，SEM等分析手段，對所制備LiFePO<,4>正極材料的結構和電化學性能進行比較；同時探討了陰離子F摻雜以及F、Nb雙摻對LiFePO<,4>/C正極材料電化學性能的影響。 以FePO<,4>為鐵源，聚丙烯作還原劑和碳包覆源，兩步高溫固相法合成LiFePO<,4>/C正極材料。將LiOH，F(xiàn)ePO<,4>球磨20h，在每摩爾目標產物的原料中添加40g聚丙烯，500℃焙燒2 h，700℃焙燒10h，此為最佳合成工藝。合成的

3、LiFePO<,4>/C顆粒細小，分布均勻，尺寸分布在100～300nm范圍內，放電容量高，在0.5C、1C和2C倍率下，首次放電容量分別達到134mAh/g、127mAh/g和116mAh/g，1C連續(xù)充放電循環(huán)100次容量無衰減，同時合成的LiFePO<,4>/C正極材料具有較低的碳含量(3.47wt.％)，有利于提高材料的振實密度。 利用上述最佳工藝分別在井式爐和管式爐中合成LiFePO<,4>/C正極材料，研究了合成環(huán)境

4、對LiFePO<,4>/C電化學性能的影響，發(fā)現(xiàn)管式爐燒結產物各倍率首次放電容量均高于井式爐燒結產物，但是在中低倍率(0.5C，1C)充放電下，兩者相差不大(小于5mAh/g)，在高倍率(2C)充放電下，兩者相差明顯(大于10mAh/g)。井式爐燒結的LiFePO<,4>/C正極材料具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性，1C充放電100次循環(huán)后，井式爐燒結的LiFePO<,4>/C達到初始容量的100.1％，高于管式爐燒結LiFePO<,4>/C的98

5、.4％。 合成 LiFePO<,4-x>F<,x>/C(x=0，0.01，0.02，0.03，0.04)， Li<,0.99>Nb<,0.01>FePO<,4>/C，Li<,0.99>Nb<,0.01>FePO<,3.98>F<,0.02>/C正極材料，分別討論了F單摻以及F、Nb雙摻對LiFePO<,4>/C正極材料性能的影響。研究表明，所有合成產物均具有完整的橄欖石型結構，粉末顆粒細小，分布均勻，尺寸分布在50～200nm范

6、圍內，碳包覆于顆粒表面并連通顆粒之間。 對LiFePO<,4-x>F<,x>/C(x=0，0.01，0.02，0.03，0.04)正極材料的電化學性能進行對比研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)摻雜提高了材料倍率放電性能，有效降低材料電極的極化，使材料具有更好的電化學可逆性和結構穩(wěn)定性。當F摻雜量x=0.02時，材料具有最高的電化學容量和最小的電化學阻抗。LiFePO<,3.98>F<,0.02>/C的1C、2C、3C首次放電容量分別達到146mAh/

7、g、137mAh/g、122mAh/g，均比未摻F的LiFePO<,4>/C提高20mAh/g左右，1C充放電循環(huán)55次后容量達到初始容量的99.3％。 對LiFePO<,4>/C，LiFePO<,3.98>F<,0.02>/C，Li<,0.99>Nb<,0.01>FePO<,4>/C，Li<,0.99>Nb<,0.01>FePO<,3.98>F<,0.02>/C正極材料的電化學性能進行對比研究發(fā)現(xiàn)，相比于不摻雜和F、Nb各自單

8、摻IJFePOdC正極材料，F(xiàn)、Nb雙摻正極材料在各項電化學測試中均表現(xiàn)出最優(yōu)的性能。Li<,0.99>Nb<,0.01>FePO<,3.98>F<,0.02>/C在0.5C、1C和2C倍率下，首次放電容量分別達到158mAh/g、154mAh/g和148mAh/g；循環(huán)伏安和交流阻抗測試表明，Li<,0.99>Nb<,0.01>FePO<,3.98>F<,0.02>/C具有最低的電化學極化作用和最低的電化學阻抗；循環(huán)測試表明，Li<,