【摘 要】
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自1991年索尼将锂离子电池(LIBs)商业应用以来,由于其卓越的能量密度和优异的安全性等,被广泛应用于消费电子等诸多领域。在超过25年的时间里,LIBs已成为一种流行的、可携带的、可充电二次电池,在个人电子设备、电动汽车、混合动力汽车和智能电网等领域有着广泛的应用。电极材料是锂离子电池中至关重要的一部分,电极材料制备、改性等受到了业界的广泛关注。磷酸铁锂(LiFePO4)具有优异的安全性、价格低
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目"三维多孔层状金属氧化物复合体系的可控构筑及其柔性超电容性能"(项目编号:51772072); 国家自然科学基金联合基金重点项目"树枝状碳纤维-氧化石墨烯三维框架构建调控高能量密度锂硫电池研究"(项目编号:U1810204); 企业委托科技开发项目"高比能新型储能材料及动力电池研发"(项目编号:W2018JSKF0349)
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自1991年索尼将锂离子电池(LIBs)商业应用以来,由于其卓越的能量密度和优异的安全性等,被广泛应用于消费电子等诸多领域。在超过25年的时间里,LIBs已成为一种流行的、可携带的、可充电二次电池,在个人电子设备、电动汽车、混合动力汽车和智能电网等领域有着广泛的应用。电极材料是锂离子电池中至关重要的一部分,电极材料制备、改性等受到了业界的广泛关注。磷酸铁锂(LiFePO4)具有优异的安全性、价格低廉、绿色环保以及在充放电过程中具有高的电压平台等特点,因此被认为是极具应用前景的锂离子电池正极材料,同时也是商业占有率最高的正极材料之一。但是LiFePO4材料的本征缺陷影响了它的发展和应用,主要是其自身较低的锂离子迁移率和电子电导率等。本论文首先针对商用LiFePO4原粉进行以氟利昂(C2H4F2)气体为改性剂进行改性处理,通过优化实验参数,一步法实现对商用LiFePO4原粉的氟掺杂和碳包覆,优化其电化学储锂性能。再以Fe PO4、Li2CO3为原材料,尝试通过将其与不同的含量的碳源材料(抗坏血酸)复合制备一系列具有优异储锂性能的纳米球状碳包覆磷酸铁锂复合材料,同时对以上碳包覆磷酸铁锂再次进行以氟利昂(C2H4F2)气体为改性剂的氟掺杂等改性处理,验证氟利昂(C2H4F2)气体的改性处理对LiFePO4材料体系的适用性,主要研究内容与结果如下:(1)以商用磷酸铁锂(LiFePO4)原粉为前驱体,引入氟利昂(C2H4F2)气体作为改性剂,对商用磷酸铁锂(LiFePO4)原粉同步进行氟掺杂和碳包覆处理,得到不同参数的氟掺杂和碳包覆磷酸铁锂(F-LiFePO4@C-x)复合材料。将其用作LIBs正极材料,热处理温度为350oC,保温时间为3h的处理条件下获得的材料(F-LiFePO4@C-2)电化学性能最为卓越,和商用磷酸铁锂(LiFePO4)原粉相比拥有更卓越的比容量(142.9 m Ah g-1,倍率为1 C),卓越的倍率性能(88.9 m Ah g-1,倍率为20 C)以及更优异的循环特性(在1 C的倍率下,循环500圈后,容量保持率为93.8%)。(2)以磷酸铁、碳酸锂、抗坏血酸为前驱体,采用高能球磨处理,结合高温煅烧热处理工艺,合成出了不同碳含量的纳米球状碳包覆磷酸铁锂(LFP@C-x),x表示碳源添加量的差别标记,并将其用作LIBs正极材料。其中LFP@C-3因均匀的纳米球状的形貌和碳包覆发挥协同作用而表现出卓越的电化学性能,在1 C的倍率下,放电比容量为124.4 m Ah g-1,在20 C的倍率下时,放电比容量为88.5 m Ah g-1,并且在1 C的倍率下循环1000圈后,拥有良好的循环稳定性,其容量保持率为86.6%。(3)为了提高上述碳包覆磷酸铁锂材料的性能,以上述LFP@C-3为前驱体,再次以氟利昂(C2H4F2)气体作为改性剂,对LFP@C-3前驱体进行碳包覆和氟掺杂,获得氟掺杂和碳包覆的磷酸铁锂(F-LFP@C)。改性后的材料(F-LFP@C)制作电极后,相较于未改性的LFP@C-3具有更加优异的电化学性能,比容量为(132.9 m Ah g-1,倍率为1 C),卓越的倍率性能(94.2 m Ah g-1,倍率为20 C)。
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