纳米LiFePO4/石墨烯正极材料的固相合成及电化学性能研究

LiFePO4由于其本身的内在结构使其电导率低，而电导率又是决定其电化学性能的重要因素。因此如何提高其电导率成为该领域的研究热点。石墨烯具有优异的电学性能，以及良好的导电性和化学稳定性，为单层超薄结构，这使得其可以成为更好的电子或空穴传递的多功能材料。石墨烯与电极材料复合，容易产生更多的反应活性位，对提高电极材料的电化学性能有很大的帮助。.本项目拟将石墨烯引入LiFePO4的制备中，采用氧化石墨-还原法制备石墨烯，研究在固相合成纳米LiFePO4/石墨烯时，石墨烯的加入时间、加入量等条件对其电化学性能的影响，找出纳米LiFePO4/石墨烯正极材料的合成条件、微观结构、形貌、粒径、电导率等与其电化学性能之间的关系，总结相关规律，建立数学模型，为研究开发综合性能优良的锂离子电池纳米LiFePO4/石墨烯正极材料提供技术支持。

LiFePO4（LFP）较低的电子导电率、离子扩散速率降低了它的实际容量、倍率性能，成为其广泛应用的障碍。针对这些问题，本项目以钒掺杂、纳米化颗粒、构造特殊结构的LiFePO4/graphene复合材料为主线，采取两种不同的方法制备改性的LFP，并对其形貌、结构、性能等做了系统研究。采用室温固相法制备LiFePO4-Li3V2(PO4)3/C（LFP-LVP/C）复合材料，XRD数据Rietveld精修显示了LFP-LVP/C具有体相钒掺杂的LFP。与LFP/C相比，LFP-LVP/C在0.1 C倍率下首次放电容量为165.2 mAh g-1，在1 C倍率下的首次放电容量为135.4 mAh g-1，且循环100圈后容量仍能保持在141.6 mAh g-1。这是因为钒掺杂的LFP-LVP和包覆在LFP-LVP颗粒表面的碳纳米材料产生协同作用，提高了LFP/C的电化学性能。采用低温法合成了graphene，通过传统室温固相法制备LFP/C、LFP-LVP/C、LFP-LVP/C/graphene，LFP-LVP/C/graphene在0.1 C倍率下循环性能最好，48圈后放电容量为159.8 mAh g-1，容量保持率为94.17 %；而LFP/C、LFP-LVP/C 48圈后容量分别为137、151.3 mAh g-1，容量保持率（91.3、91.86 %）低于94.17 %；在5C倍率下，LFP-LVP/C/graphene 200圈后容量为102.5 mAh g-1，远远大于LFP/C（80.7 mAh g-1）和LFP-LVP/C（99.7 mAh g-1）在0.5 C下的首次放电容量。合成特殊三明治结构的LFP/graphene，考察了石墨烯的加入对LFP形貌、电化学性能影响。结果表明石墨烯的加入抑制了LFP颗粒的增大；LFP/graphene比LiFePO4具有更长的充放电平台，首次放电容量为162.6 mAh g-1，而纯相LFP首次放电容量只是144.7 mAh g-1，主要是由于LFP/graphene特殊三明治结构：电子既可以沿着石墨烯传输、又可以在夹层颗粒间传输，缩短并加快了电子在充放电过程中的传递；另一方面，包覆在LiFePO4颗粒表面的石墨烯，由于自身特性缓解了充放电过程中LiFePO4颗粒体积的膨胀。