高倍率磷酸铁锂复合材料制备及电极导电粘结剂的研究

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磷酸铁锂(LiFePO4)作为安全性相对最好的动力锂离子电池正极材料,具有资源丰富、原料环保、充放电比容量高、晶体结构稳定且循环性能好等优点。然而,LiFePO4材料及电极的倍率性能较差,限制了动力磷酸铁锂电池的功率密度和能量密度。本论文通过改善材料和电极的结构,研究具有导电性能的粘结剂,从而提高磷酸铁锂电极的功率特性。采用高速砂磨处理LiFePO4中间体,合成出介孔碳/纳米磷酸铁锂复合材料(S-LFP@C)。LiFePO4中间体优先经过高速砂磨进行纳米化,此过程限定了最终磷酸铁锂复合材料的颗粒尺寸形貌。所制备的S-LFP@C颗粒表面被一层35nm的介孔碳层所包覆,颗粒尺寸约为95 nm,比表面积达到48.0 m2·g-1。在10 C倍率下,S-LFP@C材料的可逆比容量约为100 m Ah·g-1,1000次循环后容量保持率为90%。此外,LiFePO4中间体颗粒尺寸的减小也有助于降低磷酸铁锂复合材料的烧结温度和时间。采用铁粉作为双功能原料,既为氧化石墨的绿色还原剂,也为LiFePO4材料的廉价铁源。利用带正电的铁离子和带负电的还原石墨烯间静电相互作用,提升LiFePO4颗粒与石墨烯间的附着力,制备出石墨烯负载S-LFP@C材料(S-LFP@C/rGO)。测试结果表明,S-LFP@C/rGO材料在10 C倍率下的比容量约为110 m Ah·g-1,1000次循环的容量保持率为95%。此外,采用快离子导电Na3V2(PO4)3材料包覆S-LFP@C颗粒(LFP@NVP@C),改善锂离子在颗粒表面的脱嵌反应势垒,提高了磷酸铁锂材料在低温条件下的倍率性能。在-10 oC,LFP@NVP@C材料1 C倍率的可逆比容量为80 m Ah·g-1,比未修饰的高出约10%。通过对电极内的非活性物质成分进行优化,采用可膨胀石墨作为原料,经过高温热膨胀、异丙醇超声和硝酸清洗等工艺,得到多层石墨烯(MG)。以MG作为电极导电剂,制备出含多层石墨烯的磷酸铁锂(S-LFP@C/MG)电极。MG具有良好的片层结构和优异的导电性,明显了改善电极内的导电网络,优化了电子传递的路径。经电化学测试,S-LFP@C/MG电极在10 C倍率下的比容量约为120 m Ah·g-1,放电平台接近3.3 V。利用生物质衍生物糠醇的原位聚合过程粘结电极活性材料,制备出聚糠醇粘结的磷酸铁锂(S-LFP@C/PFA)电极。糠醇(FA)溶液与S-LFP@C材料以及导电剂具有良好的润湿性,经过草酸催化聚合后,生成的聚糠醇(PFA)可以牢固地粘结S-LFP@C材料,并增强与金属集流体的结合强度。此外,PFA其具有的碳碳双键共轭和氧杂原子结构,可以分别作为电子和离子传递通路。因此,PFA是一种具有电子和离子导电性的粘结剂。在电化学测试中,不含有任何导电剂的S-LFP@C/PFA电极(PFA质量分数仅为3.8%),在10 C倍率下的电极比容量为101 m Ah·g-1,S-LFP@C材料的比容量为105 m Ah·g-1。在1 C倍率下,500次循环的容量保持率为75%。本论文针对磷酸铁锂材料及电极较差的倍率性能,通过颗粒尺寸纳米化,还原石墨烯修饰和快离子导体包覆进行改进,采用二维石墨烯导电剂和聚糠醇导电粘结剂,提高了磷酸铁锂电极的功率特性。
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