磷酸鐵鋰-石墨烯三維結構復合材料制備及電化學性能研究.pdf

1、橄欖石結構的磷酸鐵鋰材料因其具備熱穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長、環(huán)境友好、原料來源豐富等優(yōu)勢，被認為是目前最具應用潛力的動力鋰離子電池正極材料。然而，由于電子導電率低（10-10 S·cm-1）和離子擴散速率慢（一維鋰離子通道，10-14 cm2·s-1）等固有缺陷，導致倍率性能差，限制了其在動力電池中的實際應用。近期，研制磷酸鐵鋰/石墨烯三維結構復合材料，被證實能夠有效改善電極材料的電化學性能。開發(fā)行之有效的制備方法以實現(xiàn)石墨烯與磷酸鐵鋰之間

2、的有機結合，是該類復合材料研究的關鍵，也是本領域的研究熱點和難點。
　　本研究設計和制備了三類磷酸鐵鋰/石墨烯三維結構復合材料，實現(xiàn)了磷酸鐵鋰與石墨烯不同結構的原位復合，并對合成材料的制備過程、物理性質、電化學性能及不同組分間的協(xié)同效應進行了研究和探索，為動力型磷酸鹽系正極材料的開發(fā)提供了有效的技術途徑，并為系統(tǒng)深入探索復合電極材料中各組分間的相互作用及協(xié)同效應提供了一種研究方法。
　　采用流變相-碳熱還原結合的方法，以熱還

3、原石墨烯為石墨烯源（RGO），制備了碳包覆磷酸鐵鋰/石墨烯復合材料（C@LFP/RGO），平均粒徑~80 nm的磷酸鐵鋰納米顆粒均勻分布在RGO表面或插入RGO的層間，并且磷酸鐵鋰表面被厚度~3 nm的無定型碳層所包覆；通過改進合成方法，以氧化石墨烯（GO）為石墨烯源，引入高能球磨過程和鎂源，制備的碳包覆介孔鎂摻雜磷酸鐵鋰/石墨烯三維復合材料（C@M-LFMP/RGO），進一步提高磷酸鐵鋰晶體內部的電子導電率和鋰離子擴散速率。測試表明，

4、C@M-LFMP/RGO在20 C充放電比容量為124 mAh·g-1，1C放電20C充電160 s充電比容量可達140 mAh·g-1，10 C循環(huán)1000次的容量保持率約為95％。
　　采用溶劑熱法合成了（010）面接觸的磷酸鐵鋰/石墨烯復合材料（LFP/GNs），結構分析表明（010）面擇優(yōu)取向的磷酸鐵鋰納米片原位生長于石墨烯的表面，實現(xiàn)了兩組分間的（010）面電接觸，該材料60 C充放電比容量達76mAh·g-1，1C放電

5、60C充電60 s充電比容量可達143mAh·g-1，10C循環(huán)1000次的容量保持率為90%。通過對LFP/GNs中裸露的磷酸鐵鋰表面選擇性包覆碳層（C@LFP/GNs），進一步提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性，10 C循環(huán)1000次的容量保持率達98%。
　　采用靜電吸附-水熱自組裝結合的方法，合成了磷酸鐵鋰/氮摻雜石墨烯氣凝膠復合材料（LFP/N-GA），其中（010）面定向生長的磷酸鐵鋰納米片被多孔氮摻雜石墨烯氣凝膠構建的離子和電子

6、雙連續(xù)通道所環(huán)繞，提高了材料的倍率和快充性能：100C充放電比容量達106mAh·g-1，1C放電100C充電60 s充電比容量可達145 mAh·g-1。
　　最后，針對（010）面接觸的LFP/GNs復合材料，通過與純相且尺寸相近的磷酸鐵鋰納米片（S-LFP）和石墨烯材料（GNs）進行對比，從物理表征、電化學分析和理論計算三個方面研究了二者的協(xié)同效應機制。物理表征表明，GNs可以明顯提高復合材料的電子導電性，多孔結構改善電解液