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石墨烯包覆磷酸铁锂对锂离子电池的影响
2017-03-21 08:33:10 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

  碳包覆锂电池正极材料是提高其电化学性能的有效办法,这主要是由于提高了正极材料的导电性,而石墨化的碳材料由于电导率更高,因此可以更大程度上提高正极材料的导电性。但是,有文献报道当锂离子通过无缺陷石墨片层时其扩散速率是受限的,可能会降低正极材料的电化学性能。研究者提出可以通过石墨烯包覆的办法研究碳包覆对磷酸铁锂正极材料电化学综合性能的影响。

  研究者通过石墨烯全部包覆、部分包覆和采用常规的无定形碳包覆磷酸铁锂的思路来比较分析了碳包覆对磷酸铁锂电化学性能的影响。

  制备方法:

  石墨烯全部包覆(LFP@GN):将磷酸铁锂和十六烷基三甲基溴化铵溶液混合超声2h,之后缓慢加入氧化石墨烯水溶液,然后滴加盐酸调节PH值<7,之后加入水合肼还原,然后用去离子水洗净,离心后烘干,之后在氮气氛围下在600℃热处理2h。

  石墨烯部分包覆(LFP/GN):除了未引入十六烷基三甲基溴化铵,其他步骤同石墨烯全部包覆相同。

  ƒ无定形碳包覆(LFP/TC):采用蔗糖作为碳源,和磷酸铁锂在氮气氛围下在600℃热处理2h。  

 

图1 碳包覆磷酸铁锂的制备示意图 

  从图中(图2)可以看出,磷酸铁锂可以全部被石墨烯包覆住,并且其表面的石墨烯是薄而褶皱的,而对于无定形碳包覆的磷酸铁锂,我们可以清晰的看出其表面有一层薄而无定形的碳层,对于部分石墨烯包覆的磷酸铁锂,也可以明显看出磷酸铁锂有部分被石墨烯包覆住,然后还有部分没有被包覆。   

 

图2 不同的碳包覆材料的结构和微观形貌 

  当以0.05C的电流密度进行恒电流充放电时(图3),石墨烯全包覆的磷酸铁锂其容量只有约40mAh/g,而部分包覆的石墨烯容量约为150mAh/g,这主要是因为石墨烯片阻碍了磷酸铁锂中的锂离子传输扩散到电解液中,导致磷酸铁锂材料中Fe2+/Fe3+的氧化还原反应无法完全进行。而对于未完全包覆的磷酸铁锂材料,其锂离子可以通过未被石墨烯包覆的区域进行传输扩散,因此磷酸铁锂材料中Fe2+/Fe3+的氧化还原反应可以进行完全,使其容量可以充分发挥出来。   

 

图3 磷酸铁锂电化学性能测试 

  研究者采用石墨烯作为理想模型研究了碳包覆对磷酸铁锂电化学性能的影响。当石墨烯部分包覆磷酸铁锂不会明显阻挡锂离子的传输扩散,而且会大幅度提高其导电性,因此可以提高磷酸铁锂的电化学性能,当磷酸铁锂正极材料被石墨烯完全包覆时,石墨烯会阻隔活性材料磷酸铁锂与电解液的接触,阻挡锂离子的传输扩散。理想的碳包覆模型是既可以提高磷酸铁锂材料的电导率也不会降低锂离子的传输扩散速率。

  相关论文信息:Carbon:The effect of graphene wrapping onthe performance of LiFePO4 for a lithium ion battery(DOI:10.1016/j.carbon.2013.01.070)

 

  来源:中国材料网: http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=80827

  
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