微波裂解离子液体法包覆磷酸铁锂碳膜工艺和机理的研究

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相比于钴酸锂、锰酸锂等正极材料,磷酸铁锂(LiFePO4)具有较高的理论容量(170mAh/g)、原料丰富等优势,因此在动力电池方面具有良好的应用前景。LiFePO4在合成过程中仍存在较低的电子电导率和锂离子迁移速率等问题,制约了其实际应用。用于改善 LiFePO4电性能的主要方法有:碳的包覆、金属离子的掺杂。  本文主要采用了一种较为高效的方法:以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐作为碳源,采用微波加热方式制备均匀包覆碳膜的 LiFePO4颗粒。通过 XRD、Raman、SEM、TEM等分析手段,对合成材料的颗粒形貌和结构进行表征,并把制备的 LiFePO4正极材料组装成电池,研究该合成方法对电性能的影响。  采用微波加热法裂解离子液体合成 LiFePO4/C颗粒,分别从两个方面进行了研究。  选取十种离子液体,以同等质量,相同500W功率,氮气气氛下加热至500℃,通过 XRD、红外光谱、元素分析、Raman等分析手段对产物进行表征,研究这些离子液体在微波场下的裂解机理。结果表明,所选取的多数离子液体最终产物都是碳,判断离子液体可以作为碳源。选取其中两种离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐和1-乙基-3甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐进一步研究微波场下的裂解机理。1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐生成的碳化产物具有一定石墨化程度,可以有效增强电性能。因此判断该离子液体是较为理想的碳源,进行后续的 LiFePO4/C复合材料的制备。  以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐作为碳源,首先研究了不同的加热方式对合成材料性能的影响。结果表明,微波加热法制备的颗粒粒径在1-2μm范围内,形状不规则,0.1C倍率下首次放电比容量达到128.5mAh/g,放电比容量保持率为98.6%,循环性能良好。高温固相法制备的包覆碳膜的样品,首次放电比容量达到118.6mAh/g,放电比容量保持率为87.6%,循环30次后,容量有较明显的下降。其次,掺杂有 Mg2+的样品,颗粒粒径在1-2μm范围内,形状较为规则,0.1C倍率下首次放电比容量达到143.3mAh/g,未掺杂 Mg2+的样品颗粒粒径在1-3μm范围内,说明金属离子掺杂不会改变颗粒结构,0.1C倍率下首次放电比容量达到134.6mAh/g,碳膜的包覆和金属离子的掺杂均有效地提高了 LiFePO4/C材料的电化学性能。
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