碳包覆磷酸鐵鋰薄膜與多層結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰介晶材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、磷酸鐵鋰(LiFePO4)為新一代鋰離子電池中最受關(guān)注的正極材料。隨著小型電子電器、醫(yī)療器件以及大型存儲(chǔ)設(shè)備、電動(dòng)汽車等的快速發(fā)展，對(duì)微型鋰離子薄膜電池和大型鋰離子高功率電池的需求日益增大。針對(duì)磷酸鐵鋰正極材料本身電導(dǎo)率低下的問題，對(duì)高能量高功率的磷酸鐵鋰加碳薄膜和大面積多孔隙的磷酸鐵鋰介晶材料進(jìn)行了制備與研究。
　　使用液相法制得的磷酸鐵鋰薄片晶體為原材料，通過滴落涂布法制備了高容量可調(diào)控的碳包覆LiFePO4薄膜。所制薄膜的厚

2、度、碳含量、形貌以及組成原材料等均可以簡單的通過更改滴落量、蔗糖水溶液的濃度和原材料的品種以及形貌來進(jìn)行調(diào)控。薄膜中蔗糖熱分解后生成的碳不僅作為導(dǎo)電劑而存在，也是保證鋰離子電池薄膜材料穩(wěn)定的至關(guān)重要的粘合劑，且對(duì)該薄膜材料的表觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)性能有極大的影響。通過滴落涂布法制備的碳包覆LiFePO4/C薄膜材料可以直接裝入電池使用，摒棄了傳統(tǒng)方法中與導(dǎo)電劑和粘合劑混合的預(yù)處理過程。此滴落涂布法的優(yōu)點(diǎn)在于:首先，蔗糖水溶液能夠防

3、止磷酸鐵鋰薄片材料的二次團(tuán)聚，起到了很好的分散作用;其次，高溫煅燒后，蔗糖熱分解生成的碳能夠均勻的包覆在磷酸鐵鋰薄片表面，形成了良好的導(dǎo)電包覆層;最后，多余的碳將已被均勻包覆的磷酸鐵鋰薄片材料互相連接起來，形成優(yōu)良的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并將整個(gè)薄膜牢牢地固定在鈦箔基體上面，完全摒棄了傳統(tǒng)工藝中粘結(jié)劑的加入和使用。對(duì)不同碳含量的LiFePO4/C薄膜材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究，優(yōu)化碳含量的最佳配比。所制得的碳包覆LiFePO4鋰離子薄膜電池表現(xiàn)

4、出了優(yōu)異的鋰離子脫嵌能力以及卓越的循環(huán)穩(wěn)定性能，特別適合高能量高功率的鋰離子薄膜微電池。此種種優(yōu)異的電化學(xué)性能，都必須歸功于該碳包覆LiFePO4薄膜材料的多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積、超薄的活性材料以及均勻的包覆碳層和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
　　在不使用任何添加劑或模板的情況下，采用溶劑熱法成功制備了三維自組裝分層結(jié)構(gòu)的LiFePO4介晶材料。不同種類和不同比例的混合溶劑被用作溶劑熱法合成的反應(yīng)媒介，并通過改變混合溶劑的比例和反應(yīng)物濃度，得到了由不

5、同尺寸和形貌的磷酸鐵鋰微小結(jié)晶單元自組裝而成的不同結(jié)構(gòu)形狀的LiFePO4介晶材料。研究了混合溶劑對(duì)LiFePO4介晶材料形貌和結(jié)晶度的影響，發(fā)現(xiàn)混合溶劑在LiFePO4介晶材料的合成與制備中起到了決定性作用并對(duì)LiFePO4介晶材料的形貌和組成單元的形成有至關(guān)重要的影響，不同比例的混合溶劑可以制得不同組成單元和不同形貌的LiFePO4介晶材料。對(duì)啞鈴狀和花狀LiFePO4介晶材料的形成機(jī)理研究表明，LiFePO4介晶材料的形成可能遵循

6、兩個(gè)步驟:1）Li3PO4晶體的成核生長以及LiFePO4微小結(jié)晶單元的形成;2）由Li3PO4晶體向LiFePO4晶體進(jìn)行物相轉(zhuǎn)變并伴隨著LiFePO4介晶微球的自組裝過程;最后得到由純相LiFePO4微小晶體組成的LiFePO4介晶材料。通過對(duì)比不同形貌LiFePO4介晶材料的電化學(xué)性能，得出，介晶微球顆粒和組成單元的尺寸在低倍率條件下對(duì)材料電化學(xué)性能有較大影響，但高倍率條件下影響不大?？梢詫?duì)所制得的LiFePO4介晶材料進(jìn)行原位導(dǎo)

7、電碳層包覆，包覆后，LiFePO4介晶材料的電化學(xué)性能有顯著提高。在0.1C倍率下，啞鈴狀LiFePO4與LiFePO4/C介晶材料分別給出了140 mAh·g-1和143 mAh·g-1的高放電比容量;而花狀LiFePO4與LiFePO4/C介晶材料分別給出了147mAh·g-1和161 mAh·g-1的高放電比容量。LiFePO4介晶材料具有的分層結(jié)構(gòu)使得材料本身具有較高的孔隙率和較大的比表面積，加上良好結(jié)晶的納米尺寸的組成單元，能