锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备及改性研究

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聚阴离子型正极材料磷酸铁锂具有理论比容量较高(170mAh/g),制■备成本较低以及热稳定性良好等优点。然而,磷酸铁锂的实际应用却因较低的电子电导率(10-9-10S/cm)与离子电导率(10-12~10-14cm2/s)而受到限制。目前,主要通过掺杂离子,表面包覆导电剂以及缩减颗粒尺寸来提高磷酸铁锂的电导率与电化学性能。本实验通过微波辅助溶胶凝胶法与高分子网络凝胶法制备了磷酸铁锂,考察了烧结工艺对样品性能的影响。采用烷基季铵盐类表面活性剂对磷酸铁锂进行改性,探讨了表面活性剂种类,浓度以及烧结温度与时间对磷酸铁锂的改性效果。运用XRD与TEM对样品的物相组成与微观形貌进行分析,通过T G-DTA分析样品在不同温度下的反应过程,样品含有的官能团种类以及化学状态分别根据FTIR与XPS分析得到,电化学工作站与电池测试系统则被用于表征样品的电化学性能。实验结果表明:1.通过微波辅助溶胶凝胶法合成了正极材料磷酸铁锂。微波烧结9min制得样品的纯度与结晶度均较高,在0.1c倍率下首次放电比容量为73.9mAh/g。采用表面活性剂对磷酸铁锂颗粒粒径进行优化,其中,十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)对调节磷酸铁锂的颗粒粒径以及控制粉体颗粒团聚方面的优化作用最大,最佳工艺为微波528W烧结20min,此时样品粒径较小且分布更加均匀。2.采用高分子网络凝胶法合成了氮碳共掺磷酸铁锂复合正极材料。该材料最佳制备工艺为惰性气氛下于700℃烧结8h,该复合材料的锂离子扩散系数与电子电导率都得到显著增强,分别达到了3.14×10-9cm2/s与2.79×10-4S/cm,与此同时,该样品的电荷转移阻抗值降至23.3Ω。采用该方法制备的磷酸铁锂复合材料在0.05C与O.1C倍率下,首次放电比容量分别达到了124mAh/g与127.5mAh/g,并且当测试倍率经过循环再次回到0.1C时,该材料的放电比容量提高到13OmAh/g,说明通过该方法制得样品的电化学性能较优异,尤其是循环稳定性良好。3.通过溶胶凝胶法研究表面活性剂对磷酸铁锂电化学性能方面的影响。其中,采用0.1250mol/L的DTAB对样品进行改性,并在惰性气氛下于700℃烧结8h能够制得样品具有更加优异的性能,该样品的比表面积提升到18.35m2/g(远高于空白样品的5.18 m2/g),在提高电荷转移速率的同时减小了样品的极化,且在0.05C倍率下的首次放电比容量达到了147.4mAh/g。
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