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《天津大学》 2010年
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金属氧化物与碳共包覆LiFePO_4正极材料高倍率电化学性能研究

崔妍  
【摘要】:本文采用三种方法来提高LiFePO_4电子电导率与锂离子扩散速率,减小LiFePO_4颗粒粒径,以达到改善LiFePO_4正极材料电化学性能(特别是高倍率性能)的目的。第一是金属离子掺杂与碳包覆;第二是金属氧化物与碳共同包覆;第三是采用冰冻干燥法制备LiFePO_4/C纳米前驱体。主要考察了不同金属离子、不同碳源、不同金属氧化物以及不同合成方法对LiFePO_4正极材料循环性能、电化学动力参数如电荷转移电阻Rct、交换电流密度i0、扩散系数D和电导率σ的影响。利用XRD、SEM、HRTEM对材料的相组成和微观形貌进行了分析,采用恒流充放电技术、交流阻抗技术与循环伏安法测试其电化学性能。 利用微波法合成了LiFePO_4/(C+La~(3+))与LiFePO_4/(C+Ti~(4+))复合正极材料,结果表明C包覆与金属离子掺杂确实是提高材料电导率的一种效果显著的方法,尤其是掺杂与Li~+和Fe~(2+)半径相近的金属离子时,所得到的材料的晶格畸变小,结构稳定,电化学性能特别是在高倍率放电时材料的循环性能有明显改善。 以草酸为碳源,采用溶胶凝胶法二次合成技术在管式气氛炉中600℃保温8 h所得的LiFePO_4/C正极材料的电化学性能最优,在0.2 C倍率下循环10次后材料的放电比容量仍能达到129.0 mAh·g~(-1)。采用悬浮混合法与共沉淀法分别制备了La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3包覆LiFePO_4/C材料与CuO包覆LiFePO_4/C材料。由高分辨透射电镜照片可以看出,进一步包覆CuO或La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3后,在磷酸亚铁锂颗粒表面形成了一层连续的、完整的导电纳米层。包覆La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3的LiFePO_4/C材料,在连续充放电35个循环后,0.5C放电倍率下放电比容量达到134.3 mAh·g~(-1)。CuO包覆的LiFePO_4/C材料,1C放电时,材料的放电比容量最高达到125.0 mAhg~(-1),20次循环后仍维持在123.0 mAhg~(-1),容量损失率仅为1.6%。 以冰冻干燥法合成的LiFePO_4/C正极材料为基体,进一步包覆了La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3或ZnO。结果表明,对于含量为2% La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3包覆的材料,在0.5C和1C的放电倍率下的最高可逆放电比容量分别为143.4 mAh/g和133.6 mAh/g。对于含量为2%ZnO包覆的材料,所得材料的电化学性能最为优异,在1C与2C的放电制度下其放电比容量分别为130.7 mAh g~(-1)和122.6 mAh g~(-1)且循环性能良好,55个放电循环后再进行三次循环伏安测试,所得三次循环伏安曲线几乎是重合的,说明了此样品在循环过程中几乎没有极化现象的产生。
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