磷酸铁锂/晶须状碳纳米管复合材料制备及其电化学性能研究

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LiFePO4正极材料价格低廉,且具有很高的安全性能,备受青睐。但其电导率低,锂离子扩散系数小,这些缺陷导致其在低温环境及高倍率充放电时性能不佳,严重影响LiFePO4在某些领域的应用。晶须状碳纳米管作为一种新型一维纳米材料,具有较大长径比,电导率高,不团聚,不缠绕,分散性能好等优点。本文基于国内外及本课题组对LiFePO4的研究现状,针对磷酸铁锂的缺陷,结合晶须状碳纳米管的优点,掺杂晶须状碳纳米管对其进行改性研究,提高其电导率及离子迁移率。同时,还与普通碳纳米管、导电石墨等其他导电材料进行了对比研究。对晶须状碳纳米管进行石墨化高温热处理,发现石墨化处理可使晶须状碳纳米管的碳原子按层规整有序排列,使其呈现出明晰的层状内部结构,并且可有效除去晶须状碳纳米管中的杂质,使其纯度从97%提高到100%。通过球磨法将晶须状碳纳米管按不同比例与磷酸铁锂掺杂,发现晶须状碳纳米管不团聚,不缠绕,分散性能良好,与磷酸铁锂正极材料能够均匀混合,并在正极材料颗粒之间形成导电桥或三维网络结构。当添加3%的晶须状碳纳米管时,磷酸铁锂具有最高的放电比容量,0.1C首次充放电达到150mAh/g,50次循环后容量保持率为99%。通过球磨法分别掺杂3%三种不同碳纳米管,掺杂3%晶须状碳纳米管的纽扣电池内阻为97m。2C倍率充放电,晶须状碳纳米管样品的首次充放电比容量为100mAh/g,是理论比容量的60%,50次循环后,其容量保持率为85%。性能均优于掺杂昭和电工VGCF的和普通碳纳米管的样品。通过球磨法分别掺杂3%三种不同导电剂,SEM检测发现不管是导电石墨还是导电炭黑,与晶须状碳纳米管相比,都无法形成导电桥及有效的三维网络空间结构。0.5C充放电,掺杂3%晶须状碳纳米管磷酸铁锂的比容量为140mAh/g,循环50次后,容量保持率为97%。
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