磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料研究

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磷酸铁锂(LiFePO4)作为锂离子动力电池的首选正极材料具有价格低廉、环境友好、高安全性、突出的循环性能等优点,已成为目前竞相研究的热点之一。然而LiFePO4低的电子导电率和锂离子扩散速率导致其在大电流充放电时性能较差,严重制约了LiFePO4材料在动力电池领域的推广应用。本论文研究了磷酸铁锂碳包覆用新型碳源—石墨烯(RGO)的绿色、高效合成;机械混合法制备磷酸铁锂/石墨烯(LiFePO4/RGO)复合材料及其电化学性能;以氧化石墨烯为碳源,一步法、原位包覆制备LiFePO4/RGO复合材料及其电化学性能。具体研究内容如下:1、研究了氢氧化亚铁还原氧化石墨烯的作用效果和反应机理。在室温及氮气气氛下,使用氢氧化亚铁还原氧化石墨烯制备石墨烯。通过XRD、SEM、RAMAN、UV-Vis和TG等分析表征手段对石墨烯的结构及形貌进行表征。结果表明,氧化石墨烯被氢氧化亚铁还原之后,羧基、羟基、羰基以及环氧基等含氧基团数量明显减少,材料的热稳定性增加。上述工作表明与传统的水合肼、硼氢化钠、氢醌等还原剂相比,氢氧化亚铁实现了对氧化石墨烯的绿色、高效、廉价还原。2、以石墨烯为碳源开展了LiFePO4碳包覆改性研究。采用高功率超声法制备石墨烯乙醇分散系,SEM和AFM结果表明,石墨烯在乙醇中经过超声处理实现了较好的剥离。采用机械混合法制备得到LiFePO4/RGO复合材料,测试结果表明,石墨烯没有改变磷酸铁锂的晶体结构且石墨烯在磷酸铁锂颗粒间分布均匀,进而改善了复合材料的倍率性能和循环性能。3、研究了以氧化石墨烯为碳源的LiFePO4原位碳包覆改性方法。采用高功率超声法分别制备了氧化石墨烯水、乙醇和二甲基甲酰胺(DMF)分散系,SEM和AFM结果表明,氧化石墨烯在水、乙醇和DMF中实现了单层剥离。在还原气氛下采用高温固相一步合成法制备LiFePO4/RGO复合材料。XRD和SEM分析结果表明,在该实验条件下,氧化石墨烯被还原为石墨烯同时实现了对磷酸铁锂颗粒的原位均匀包覆并形成了三维导电网络。电化学测试结果表明,LiFePO4/RGO复合材料在0.2C和10C放电倍率下比容量分别达到162和94.8mAh/g。上述工作表明氧化石墨烯原位碳包覆具有很好的应用前景。
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