高倍率LiFePO4-碳復(fù)合材料及其三維電極的制備與性能研究.pdf

1、橄欖石型結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰(LiFePO4)材料具有理論容量高,循環(huán)性能好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的動(dòng)力鋰離子電池正極材料,只因LiFePO4固有的低電子導(dǎo)電率和鋰離子擴(kuò)散速率的缺陷制約了該材料的大規(guī)模實(shí)用化。本研究通過加入具有電容性質(zhì)的活性碳(AC)材料制備LiFePO4/AC復(fù)合電極,通過采用泡沫金屬集流體制備三維多孔結(jié)構(gòu)LiFePO4電極,以改進(jìn)LiFePO4材料的高倍率充放電性能,并對(duì)制備相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)考察,還探

2、討了AC與三維多孔結(jié)構(gòu)基體改善LiFePO4材料性能的實(shí)質(zhì)。
　　通過流變相工藝制備的前驅(qū)體有效改善了LiFePO4/C樣品的顆粒大小和表面形貌。TG-DSC測(cè)試表明,煅燒溫度大于457℃時(shí),LiFePO4晶體生成的反應(yīng)開始發(fā)生。隨著煅燒溫度的增加,LiFePO4/C樣品中剩余碳的含量下降,樣品的電荷傳遞阻抗增加,團(tuán)聚現(xiàn)象加劇。蔗糖加入量為鐵鹽質(zhì)量的25％,700℃煅燒12h所得到的LiFePO4/C樣品性能最優(yōu)。放電倍率為0.2

3、C時(shí),比容量達(dá)到130mAh·g-1左右,20C放電比容量仍超過70mAh·g-1。采用流變相-碳熱還原法制備了LiFePO4/JAC復(fù)合儲(chǔ)能材料,JAC加入量為5wt%時(shí),10C時(shí)放電比容量接近90mAh·g-1,20C放電比容量也超過了70mAh·g-1。采用流變相-碳熱還原法制備的LiFePO4/石墨烯復(fù)合儲(chǔ)能材料性能一般,10C的放電比容量接近75mAh·g-1,20C放電比容量?jī)H為60mAh·g-1左右。采用“快充快放”的充放

4、電制度循環(huán)過程中,采用兩種復(fù)合儲(chǔ)能材料所制備的電極工作狀態(tài)正常,高倍率性能表現(xiàn)良好。
　　采用直接混合法制備了LiFePO4/AC復(fù)合電極,研究了AC的加入量對(duì)復(fù)合電極電化學(xué)性能的影響。AC加入量為5wt%時(shí),以直接混合法制備的LiFePO4/JAC和LiFePO4/SAC復(fù)合電極,不同倍率下的放電比容量分別為120和115mAh·g-1(5C)、100和105mAh·g-1(10C)以及70和85mAh·g-1左右(20C)。研

5、究了AC在充放電過程中的變化趨勢(shì),并得到了LiFePO4/AC復(fù)合電極交流阻抗曲線的等效電路。分析得到了AC對(duì)改善LiFePO4材料充放電性能的機(jī)理:1.適量AC的加入可以改善LiFePO4/電極附近反應(yīng)活性基團(tuán)和離子的局部富集度,保證了高倍率充放電時(shí)對(duì)反應(yīng)離子的需求;2.AC的加入抑制了LiFePO4顆粒在電極中的接觸,減小了電極內(nèi)阻;3.AC的雙電層快速充電響應(yīng)有利于LiFePO4材料的法拉第反應(yīng),增加了LiFePO4材料的活性,改

6、善了樣品的高倍率性能。
　　制備了三維多孔結(jié)構(gòu)的LiFePO4電極,當(dāng)活性物質(zhì)配比mLiFePO4:mAB:mPVDF=8:1:1,電極厚度250μm,活性物質(zhì)面密度約為90g·m-2時(shí)制備的泡沫鎳集流體LiFePO4電極具有最優(yōu)的性能。分別制備了石墨和Li4Ti5O12材料的三維結(jié)構(gòu)電極,并將其與三維LiFePO4電極裝配成全電池測(cè)試其充放電性能。LiFePO4-石墨電池性能一般,1C放電比容量約為75mAh·g-1;LiFeP

7、O4-Li4Ti5O12電池性能表現(xiàn)優(yōu)異,1C放電比容量為120mAh·g-1左右,10C比容量接近70mAh·g-1,300次(1C)循環(huán)容量保持率100%。
　　通過電鍍鋁的方式對(duì)泡沫鎳基體進(jìn)行表面修飾,選用AlCl3-LiAlH4-THF鍍液體系,電流密度為0.45A/dm2,450℃下熱處理1h得到的鋁鍍層最為均勻致密。以所制備的泡沫鋁為集流體制備的三維結(jié)構(gòu)LiFePO4電極其在電解液中的穩(wěn)定性顯著增加。
　　構(gòu)建了