磷酸鐵鋰-石墨烯三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、橄欖石結(jié)構(gòu)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(yīng)用潛力的動力鋰離子電池正極材料。然而，由于電子導(dǎo)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(dǎo)致倍率性能差，限制了其在動力電池中的實際應(yīng)用。近期，研制磷酸鐵鋰/石墨烯三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，被證實能夠有效改善電極材料的電化學(xué)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(jié)合，是該類復(fù)合材料研究的關(guān)鍵，也是本領(lǐng)域的研究熱點和難點。
　　本研究設(shè)計和制備了三類磷酸鐵鋰/石墨烯三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，實現(xiàn)了磷酸鐵鋰與石墨烯不同結(jié)構(gòu)的原位復(fù)合，并對合成材料的制備過程、物理性質(zhì)、電化學(xué)性能及不同組分間的協(xié)同效應(yīng)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(shù)途徑，并為系統(tǒng)深入探索復(fù)合電極材料中各組分間的相互作用及協(xié)同效應(yīng)提供了一種研究方法。
　　采用流變相-碳熱還原結(jié)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(fù)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(fù)合材料（C@M-LFMP/RGO），進一步提高磷酸鐵鋰晶體內(nèi)部的電子導(dǎo)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(fù)合材料（LFP/GNs），結(jié)構(gòu)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(jié)合的方法，合成了磷酸鐵鋰/氮摻雜石墨烯氣凝膠復(fù)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(gòu)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(fù)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(xué)分析和理論計算三個方面研究了二者的協(xié)同效應(yīng)機制。物理表征表明，GNs可以明顯提高復(fù)合材料的電子導(dǎo)電性，多孔結(jié)構(gòu)改善電解液