多維硅酸亞鐵鋰納米材料的調(diào)控合成及儲鋰性能.pdf

1、基于化學能/電能儲存與轉(zhuǎn)化的新型電池及器件是當前科學研究的熱點與重點。鋰離子電池以其質(zhì)量輕體積小、儲存容量高、壽命長、安全性能高和環(huán)境友好等優(yōu)點，在能量儲存和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而，受限于傳統(tǒng)正極材料較低的能量密度和功率密度，鋰離子電池還難以滿足下一代高端的動力電池設(shè)備要求。新型的硅酸鹽正極材料具有理論比容量高，資源豐富，價格便宜，以及安全性能高等特性。其中中Li2FeSiO4由于具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，越來越受到人們的青睞，具有

2、廣闊的應用前景。然而，Li2FeSiO4正極材料低的電導率和鋰離子擴散動力學，限制了其應用。
　　本文針對Li2FeSiO4正極材料存在的問題，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)控，制備了多維的高比容量、長壽命、高倍率性能的納米Li2FeSiO4鋰離子電池電極材料，主要獲得了以下創(chuàng)新性研究成果：
　　1.通過水熱法和有機聚合法制備了零維(0D)Li2FeSiO4納米晶/網(wǎng)絡(luò)碳復合鋰離子電池正極材料。得益于網(wǎng)絡(luò)碳的優(yōu)異導電性和納米晶的鋰離子快速

3、傳輸，這種新穎的復合材料在0.1 C的倍率下具有1.28個鋰離子脫嵌的比容量，實現(xiàn)了從Fe2+到Fe3+，再到Fe4+的連續(xù)兩部的氧化反應。在0.5，1，2，5和10 C的不同倍率下，比容量分別達到189.8，175.6，148.9，125.7和106.6 mAh/g；經(jīng)過高倍率回到1 C后，其比容量仍然達到175 mAh/g。特別值得指出的是，在10 C倍率下經(jīng)1000次循環(huán)后，其比容量仍然高達90.9 mAh/g，保持率為97.7％

4、，具有優(yōu)異的倍率循環(huán)性能。
　　2.采用一種更廉價的三價鐵源水熱還原制備了一維（1D）Li2FeSiO4納米棒材料。研究發(fā)現(xiàn)，單一的Li2FeSiO4材料由于充放電過程中容易團聚，引起比容量的快速衰減。為此，實驗采用了一種簡單的PVP錨定法將納米棒錨定于石墨烯片上，有效地抑制了活性材料的團聚。而且，其中的石墨烯還能起到電子傳輸和緩解應力作用。制備的納米棒狀Li2FeSiO4/石墨烯片復合材料具有優(yōu)異的電化學性能：當作為鋰離子電池正

5、極材料在1.5-4.8 V之間進行充放電時，在0.01 A/g（1/16 C）的電流密度下的放電比容量為298 mAh/g，且具有高的倍率性能和長的循環(huán)壽命；當作為鋰離子電池負極材料在0-3 V之間進行充放電時，在0.02A/g（2/16 C）的電流密度下的首次放電比容量為1530 mAh/g，隨后的可逆容量為1160 mAh/g，倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能也非常突出。因此，采用石墨烯修飾納米棒狀Li2FeSiO4復合電極材料具有優(yōu)異的電化

6、學性能，完全適合下一代動力鋰離子電池的需要。
　　3.通過乙二醇輔助的一步水熱法制備了具有等級梭形結(jié)構(gòu)的Li2FeSiO4材料。研究發(fā)現(xiàn)，梭形結(jié)構(gòu)是由單晶的納米片構(gòu)筑而成。經(jīng)電化學測試發(fā)現(xiàn)，在0.1 C下，該材料的首次放電比容量為180.6 mAh/g，庫倫效率為97.5％；2 C時，比容量為71.0 mAh/g，性能與傳統(tǒng)碳包覆Li2FeSiO4復合材料相當。高的倍率容量主要歸因于Li2FeSiO4特殊的等級結(jié)構(gòu)具有高的鋰離子擴

7、散動力學。
　　4.在等級梭形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，通過控制水熱反應溫度和溶劑比例，獲得了一種新穎的、由單晶二維（2D）納米花瓣組裝而成的三維（3D）等級花形Li2FeSiO4材料。采用2-3 nm厚度的石墨烯進行表面包覆和電化學活化后，該復合材料的比容量高達327.2 mAh/g，已接近兩個鋰離子的脫嵌，對應的比能量為879 Wh/kg，優(yōu)于傳統(tǒng)的Li2Mn2O4（487 Wh/kg）和LiFePO4（500 Wh/kg）材料。進一步