高性能鋰離子電池電極材料的研究.pdf

1、鋰離子電池具有高的工作電壓和能量密度、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點成為可移動電源的首選。其中正極材料和負(fù)極材料對電池的性能影響很大。石墨烯是由sp2雜化的碳六元環(huán)組成的兩維(2D)蜂窩狀點陣的物質(zhì)。它具有許多優(yōu)異的性能比如室溫下電阻較低,導(dǎo)電率較高等,因此在儲能電池電極材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是在鋰離子電池應(yīng)用方面,石墨烯也有不足之處,不可逆容量高,庫倫效率低。研究表明通過N元素?fù)诫s能夠有效地提高石墨烯的電化學(xué)性能。
　　

2、本文用一種簡單易行的方法制備了氮摻雜的石墨烯片層材料,運用XRD,SEM,XPS和電化學(xué)等方法對樣品進行表征。XPS結(jié)果表明,熱處理之后的石墨烯含氮百分比為2％。交流阻抗測試表明,經(jīng)過氮元素?fù)诫s的石墨烯,在5次循環(huán)之后,電荷轉(zhuǎn)移阻抗降低,而且氮摻雜之后帶來一些結(jié)構(gòu)缺陷,產(chǎn)生新的儲鋰位點,提高了其容量和倍率性能。當(dāng)電流密度為42 mA·g-1時,氮摻雜石墨烯片層放電比容量達(dá)到900 mAh.g-1,而石墨烯只有600 mAh·g-1。在高

3、電流密度下2.1 A·g-1(2.5 C),氮摻雜石墨烯片層的比容量大概在250 mAh·g-1,幾乎是石墨烯容量(大約50 mAh·g-1)的5倍。石墨烯不僅可以應(yīng)用在儲能活性材料方面,還可以作為高導(dǎo)電率的物質(zhì)與其他材料進行復(fù)合,提高其它材料的電子傳輸性能,從而提高復(fù)合材料的電子和離子傳輸能力。LiFePO4作為新一代鋰離子電池正極材料,其理論比容量為170 mAh·g-1,電壓平臺為3.4V(相對于Li／Li+),具有價格低廉,對環(huán)

4、境友好,熱穩(wěn)定好,安全性高,循環(huán)性能優(yōu)越等優(yōu)點,是現(xiàn)在鋰離子電池正極材料中研究熱點。但是由于電子電導(dǎo)率(～10-9 S-cm-1)比較低,造成倍率性能比較差。本文采用水熱法結(jié)合熱處理制備LiFePO4,研究了反應(yīng)物濃度、熱處理溫度、熱處理氣氛對產(chǎn)物性能的影響。為了提高LiFePO4性能,將氧化石墨與LiFePO4通過水熱法原位復(fù)合,然后在高溫惰性氛圍中熱處理得到LiFePO4和石墨烯的復(fù)合物,并結(jié)合XRD、SEM、Raman光譜以及電化

5、學(xué)測試等分析手段研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌和電化學(xué)性能。實驗結(jié)果表明合成LiFePO4最佳條件是FeSO4·7H2O濃度為0.75 mol／L,熱處理溫度為600℃,熱處理氣氛為H2／Ar混合氣。通過水熱法制備復(fù)合物L(fēng)iFePO4／氧化石墨后,在以上熱處理條件下制備復(fù)合材料LiFePO4／Graphene。結(jié)果發(fā)現(xiàn),加入石墨烯之后并沒有影響LiFePO4的晶體結(jié)構(gòu)。在0.1C倍率下放電比容量達(dá)到160.3 mAh·g-1,10 C時比

6、容量維持在81.5 mAh·g-1。所得結(jié)果表明加入石墨烯之后能夠提高LiFeP04動力學(xué)性能和倍率性能。氮化釩(VN)作為鋰電池負(fù)極材料,文獻報道具有較高的理論比容量,但是由于室溫電導(dǎo)率比較低,限制其進一步應(yīng)用。加入高導(dǎo)電率的石墨烯,構(gòu)筑混合電子和離子傳輸網(wǎng)絡(luò),是提高性能的有效途徑之一。本文運用溶膠凝膠法結(jié)合高溫?zé)崽幚矸椒ㄖ苽淞思兿郪N以及不同比例的VN與石墨烯的復(fù)合材料。實驗結(jié)果表明,所有復(fù)合物的電化學(xué)性能都優(yōu)于純相VN。當(dāng)VN與石