磷酸铁锂及其石墨烯复合材料的制备与性能研究

发布时间：2016-07-30 01:04

  本文关键词：磷酸铁锂及其石墨烯复合材料的制备与性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《山东大学》 2013年

磷酸铁锂及其石墨烯复合材料的制备与性能研究

马元  

【摘要】：锂离子可循环电池是最有潜力的电源系统,它可以提供更高的工作电压及能量密度因而有望用做大规模能量存储及电动汽车和插电式混合动力汽车的车载能量存储的电池。在锂离子电池材料中,正极材料最受关注,这是因为它对电池的容量,循环寿命,安全性能和成本构成的影响最大。磷酸铁锂由于其本身的晶体结构及化学稳定性导致它有着安全及长寿命等特点,特别适合用作大尺寸电池。此外,磷酸铁锂的低成本和环境友好的特点也特别适合大规模应用。但是倍率性能差限制了它的实际应用,这是由它自身慢的锂离子扩散系数和低的电子电导率所决定的。近年来随着对石墨烯的深入研究发现,石墨烯的良好导电性对提高锂离子电池的性能具有重要的作用。 我们以Li3PO4为原料采用水热法制备LiFePO4,研究了Li3PO4的形貌、浓度等对LiFePO4形貌的影响,并在此基础上利用石墨烯来改善性能分别制备了球形多孔及三维组装纳米复合的LiFePO4/石墨烯复合材料。本论文主要取得了以下 研究成果： 1、以Li3PO4为锂源和磷源,通过水热法制备了LiFePO4。研究了反应物浓度对Li3PO4形貌的影响,并以Li3PO4为原料制备LiFePO4,对比了不同形貌Li3PO4以及LiFePO4反应物浓度对LiFePO4形貌的影响,发现通过选择合适的反应条件可以得到具有较高振实密度的球形多孔LiFePO4以及具有优异倍率性能的纳米LiFeP04。通过对LiFePO4前躯体形貌的观察,推测了不同形貌LiFePO4的形成机理。纳米LiFePO4在0.1C及2C倍率下的比容量分别为161.5mAh/g和138.6mAh/g,保持了85.9%的比容量。球形多孔LiFePO4具有较好的体积能量密度。 2、利用水热法合成了LiFePO4/石墨烯球形多孔复合材料。首先合成了氧化石墨烯-Li3PO4复合材料,发现氧化石墨烯的加入并不会影响Li3PO4的形貌,复合材料呈球形,氧化石墨烯包覆在表面上。氧化石墨烯-Li3PO4复合材料经过水热处理得到了LiFePO4/石墨烯球形多孔复合材料,发现石墨烯包覆在LiFePO4的表面,并不会影响球形多孔LiFePO4的形成。经过电化学性能测试发现,石墨烯的加入使LiFePO4的比容量由0.1C倍率下的112.4mAh/g提高到148.1mAh/g,10C倍率下的比容量保持由57.5%提高到72.2%,且在1C下经过100次的充放电循环复合材料还能保持99%的比容量。结合交流阻抗和循环伏安的测试结果分析,石墨烯的加入提高了材料整体的导电性从而带来电池性能的提高。 3、利用氧化石墨烯在一定条件下通过水热处理可以发生三维组装的特点,用水热法制备了LiFePO4/石墨烯纳米复合材料。研究发现,氧化石墨烯和LiFePO4前驱体混合后,经过水热处理依然可以发生三维组装；复合后LiFePO4的粒径有所减小,整体形貌呈20nm LiFePO4附着在石墨烯纳米片层上的结构。通过电池性能测试发现,石墨烯的加入大大改善了材料的倍率性能,LiFePO4/石墨烯在0.1C和10C倍率下的比容量分别达到169.4mAh/g和135.5mAh/g,容量保持近80%；对应的LiFePO4只有161.4mAh/g和108.5mAh/g,容量保持为67%。且循环性能也提高明显,经过10C倍率下600次的循环后,LiFePO4/石墨烯的比容量保持达92%,而LiFePO4保持只有88%。对比充放电平台发现,即使在10C的高倍率充电下,也几乎不需要恒压就能充满,这说明LiFePO4/石墨烯具有极好的快速充电化学性能。其性能的改善,是由于石墨烯提高了材料的电子电导率及LiFePO4晶粒尺寸减小提高了锂离子扩散速率共同作用的结果。

【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O613.71;TM912
【目录】：

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