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磷酸铁锂的制备、改性及电化学性能研究

胡志海  
【摘要】:在国家大力倡导和支持新能源背景下,绿色出行和低碳环保是社会和经济可持续发展的重要保障。磷酸铁锂(LiFePO_4)作为新能源领域中一种极具光明前景的锂离子电池正极材料,自发现以来受到广泛关注,因为其安全性能好、理论比容量和开路电压较高、循环寿命长、环境友好、成本低廉;但是该正极材料电子导电性低且锂离子扩散缓慢,从而限制了其在动力汽车、混合动力汽车等领域的应用。为了利用LiFePO_4的优势,克服其固有缺陷,对其改性尤为必要。本文在制备LiFePO_4的基础上对其改性处理,以期获得优异的电化学性能,具体开展了以下工作:文中首先采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为诱导模板,辅助水热法原位复合石墨烯得到了LiFePO_4/rGO复合材料,通过对SDBS浓度、前驱体混合物的pH和氧化石墨烯(GO)添加量等实验参数的优化,得到电化学性能最优的LiFePO_4/rGO复合材料制备条件:最佳的SDBS浓度为0.225 mol/L,最佳前驱体混合物pH和GO添加量分别为5.8和2%。同时发现,棒状LiFePO_4纳米粒子紧密的负载在rGO的表面,这有利于提高材料导电性。SDBS作为形貌诱导模板辅助水热法原位复合石墨烯改性LiFePO_4成本低廉,操作步骤简单,可为其它电极材料改性提供借鉴。其次,采用乙二醇溶剂热法原位复合石墨烯结合碳包覆修饰,得到了LiFePO_4@C/rGO复合材料,评估了石墨烯掺杂和碳包覆协同作用改性LiFePO_4正极材料的效果。结果发现,LiFePO_4@C/rGO复合材料形貌为类球形,表面均匀包覆了一层厚度为2~5 nm的碳层,褶皱的石墨烯片与碳包覆的LiFePO_4纳米粒子“桥接”形成3维导电网络。此外,LiFePO_4@C/rGO在20 C倍率下的放电容量仍然有129.5 mAh/g,且在10 C倍率和-20℃/1 C倍率下循环200次没有明显的容量衰减,表现出优异的倍率性能和良好的低温稳定性,这归因于复合物具有更小的电极极化,更快的锂离子扩散和更小的电荷转移电阻。最后,基于二甘醇溶剂热法和碳包覆修饰,得到了纳米片状LiFePO_4的同时实现了Mn~(2+)对Fe位掺杂,最终得到了纳米片状LiFe_(1-x)Mn_xPO_4/C复合材料,探究了Mn掺杂对LiFePO_4形貌和电化学性能的影响。结果表明电化学性能的改善归因于Mn~(2+)掺杂加速了Li~+扩散,减小了电荷转移电阻,改善了反应动力学过程。


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