聚苯胺包覆法合成LiFePO4/C电极材料与电化学性能研究

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作为新一代锂离子电池正极材料——橄榄石型LiFePO4具有原料丰富,价格低廉,环境友好,理论容量高,使用寿命长,热稳定性好等优点,而成为人们关注的热点。但是其极低的电子电导率和锂离子扩散速率限制了其在实际生产中的大规模应用。因此,针对这一问题,本论文用聚苯胺包覆法通过水热法和碳热还原法,分别合成了亚微米棒状及带孔的LiFePO4/C材料。采用XRD、SEM和TEM等手段对样品进行了晶体结构及形貌特征的测试,采用恒流充放电系统的对LiFePO4/C材料的电化学性能进行了研究。具体的研究内容如下:一、通过简单的水热法合成了亚微米级棒状结构的LiFePO4/C材料,并研究了退火前后、苯胺用量、200℃时保温一定时间对样品电化学性能的影响。研究表明:退火之后的样品有更好的结晶度及更优的电化学性能;当加入0.5ml苯胺(制备3.33mmol LiFePO4)时,样品具有最优的电化学性能;在200℃时保温10.5h时,样品的电化学性能最佳。经过表征测试发现:样品具有较高的结晶度;具有亚微米棒状结构,其中长400nm,宽140nm,分散性良好,且样品外边包覆着-层厚1.5-2nm的碳层。同时在实验条件优化以后还测试了材料在不同倍率下的电化学性能。结果表明:样品具有很好的倍率性能,在0.5C、1C、2C、5C、7C、时的放电比容量依次为145.6mAh/g、139.1mAh/g、118.9mAh/g、108.8mAh/g和99.2mAh/g;同时样品也具有良好的循环性能,在2C、5C、7C倍率下循环200,容量没有明显的衰减。二、采用廉价的三价铁源FeCl3·6H2O为原料,利用碳热还原法及自身反应特点,一步合成带孔的LiFePO4/C材料。研究了不用原料配比、不同碳源及电极材料的制备对样品电化学性能的影响。研究表明:当Li2CO3:FeCl3·6H2O:NH4H2PO4的摩尔比为1:1:1、用苯胺作碳源、电极材料制备过程中加导电剂时,样品的电化学性能最优。通过表征测试知:样品的结晶度很高;比表面积为29.9m2/g,平均孔径为20.8nm;本实验合成的LiFePO4/C样品为纳米级,颗粒为规整的球形颗粒且LiFePO4晶粒外包覆着一层厚度约3nm的碳膜;此外,样品在循环过程中电荷转移阻抗基本没有变化,且从循环伏安测试看出材料在3.7V和3.2V附近有明显的氧化峰与还原峰,对应着Fe2+/Fe3+的氧化还原反应。经优化实验条件后测得样品具有良好的电化学性能。在0.2C放电时比容量高达168mAh/g,非常接近理论容量170mAh/g;在0.5C、1C、2C、5C下依次循环时的放电比容量依次为168.9、157.9、141.1、120.5mAh/g;即使在高倍率5C下放电,材料仍具有较高的容量保持率,500次循环后容量仍高达116mAh/g。
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