三維多孔LiFePO4-C復(fù)合材料的合成、表征與電化學(xué)性能研究.pdf

1、節(jié)能環(huán)保成為時(shí)代的主題，混合動(dòng)力汽車(HEVs)和電動(dòng)汽車(EVs)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生并日益普及，鋰離子電池(LIBs)作為優(yōu)異的能量儲存裝置得到廣泛應(yīng)用。鋰離子電池的性能主要取決于正極材料。橄欖石型磷酸鐵鋰(LiFePO4)因其比容量高(170mAh g-1)、循環(huán)壽命長、安全性能高和環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是應(yīng)用前景廣闊的正極材料之一。然而，較低的鋰離子擴(kuò)散速率和較差的電子轉(zhuǎn)移能力大大制約了LiFePO4在動(dòng)力電池領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用。因

2、此，如何有效地提升LiFePO4的電子電導(dǎo)率與鋰離子擴(kuò)散速率成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。
　　多孔結(jié)構(gòu)可為鋰離子和電子提供快速擴(kuò)散轉(zhuǎn)移的通道，且較大的比表面積可有效增加活性材料/電解液界面面積，減小材料內(nèi)部惰性區(qū)，并能夠保持電池充放電循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。碳包覆能有效提升電子電導(dǎo)率，同時(shí)抑制材料的團(tuán)聚。本論文通過定向冷凍干燥法、水熱法并結(jié)合石墨烯改性制備出多孔LiFePO4/C復(fù)合材料，借助掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射

3、、拉曼光譜等儀器和手段對合成材料的形貌結(jié)構(gòu)、物相組成及化學(xué)組態(tài)進(jìn)行表征分析，并通過組裝扣式電池進(jìn)行充放電測試、循環(huán)伏安測試及電化學(xué)阻抗測試探究了合成材料的電化學(xué)性能，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過定向冷凍干燥法制備的碳包覆LiFePO4復(fù)合材料呈規(guī)則有序的三維多孔結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的有序多孔結(jié)構(gòu)為鋰離子和電子提供了定向的高速傳輸通道，改善了材料的動(dòng)力學(xué)特性，多孔壁上存在的大量納米孔，促進(jìn)了電解液對活性材料的浸潤，同時(shí)能有效地緩解充放電

4、過程中體積膨脹引起的材料結(jié)構(gòu)的破壞。因此，碳包覆三維定向多孔LiFePO4復(fù)合材料(DLFP/C)展示出良好的比容量及倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(2)采用定向冷凍干燥法成功合成了三維有序多孔石墨烯復(fù)合LiFePO4材料(LFP/GA)。石墨烯薄片均勻地嵌入LiFePO4顆粒形成的三維多孔骨架中，并與LiFePO4顆粒緊密接觸，加快了材料的電子轉(zhuǎn)移。有序的三維多孔結(jié)構(gòu)豐富了鋰離子及電子擴(kuò)散轉(zhuǎn)移路徑，改善了鋰離子的嵌入/脫出動(dòng)力學(xué)，

5、石墨烯的引入增大了材料的比表面積，為鋰離子提供了更多的活性位點(diǎn)，同時(shí)，增大了電極/電解液的界面面積，LiFePO4的電化學(xué)性能得到進(jìn)一步的改善。
　　(3)由水熱法制備的石墨烯包覆LiFePO4復(fù)合材料(LFP/GA)為三維多孔球形結(jié)構(gòu)。石墨烯包覆和三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有效地連接了孤立的LiFePO4微球，協(xié)調(diào)了電子與鋰離子轉(zhuǎn)移過程，提升材料的比容量及倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。良好的石墨烯包覆狀態(tài)是改性成功的關(guān)鍵，石墨烯含量為10％的L