氟碳包覆磷酸铁锂正极材料的可控制备及其锂离子扩散机制研究

Due to its high energy density (170 mAh g-1), good safety performance, long cycle stability (more than 2000 cycles) and environmentally friendly, LiFePO4 has become a current popular research. However, its poor electric conductivity and low Li-ion diffusivity seriously restricts its application in commercialized lithium-ion batteries. In this study, a fluorine-doped carbon coated LiFePO4 with controllable morphology and component is fabricated through the modification of the electrochemical cleavage graphite oxide, structure oriented control of ethylene glycol and in situ preparation of fluorine doped carbon. The research aims at building relationships between morphology, fluorine doping and lithium ion diffusion coefficients, and designing a cathode material of LiFePO4 with a 3D conductive network structure, high lithium ion coefficient and high rate capability by studying effects of morphology and fluorine doped carbon layer on the lithium ion reversible insertion/extraction and their mechanism. This project will help promote the application of LiFePO4 as lithium battery cathodes and provide some theoretical basis and technological support for design of other new electrode materials.

磷酸铁锂因其具有能量密度高（170 mAh g-1）、循环寿命长（充放电循环2000次）以及安全无污染等优点，已经成为当前研究的热点，但是低的电子电导率和低的锂离子扩散系数严重制约了其在锂离子电池中的应用。本项目通过电剥离氧化石墨修饰、乙二醇结构导向控制以及氟碳原位复合制备形貌和组分可控的氟碳包覆的磷酸铁锂正极材料。通过研究材料形貌结构和氟碳包覆层对磷酸铁锂正极材料的锂离子可逆嵌入/脱出的影响及其作用机制，建立材料形貌结构、氟碳包覆与锂离子扩散系数之间的关系，设计出一种具有三维导电网络结构、高锂离子扩散系数和高倍率性能的磷酸铁锂正极材料。课题的实施将推动磷酸铁锂在锂离子电池正极材料中的应用，同时为其他新型电极材料的设计提供一定的理论依据和技术支撑。

磷酸铁锂因其具有能量密度高（170 mAh g-1）、循环寿命长（充放电循环2000次）以及安全无污染等优点，已经成为当前研究的热点，但是低的电子电导率和低的锂离子扩散系数严重制约了其在锂离子电池中的应用。本项目以电剥离氧化石墨作为碳基底，乙二醇结构导向控制以及原位热解制备具有三维导电网络结构的氟碳包覆和氮碳包覆的磷酸铁锂正极材料。为了进一步提高材料的比容量，以植酸作为磷源，制备外包覆导电碳/内碳类石墨碳型磷酸铁锂复合正极材料。系统研究材料的形貌结构和氟碳、氮碳包覆、内嵌碳对电极材料电子导电性以及Li+可逆嵌入/脱出的影响，探讨氟碳、氮碳包覆、内嵌碳提高锂离子扩散的作用机理，建立形貌结构、氟碳、氮碳包覆、内嵌碳与锂离子扩散系数和电子传导之间的关系。经接触角测试表明，氟碳包覆的磷酸铁锂正极材料与电解液具有相亲作用，计算其锂离子扩散系数也有较大提高，这表明氟碳包覆有利于加快锂离子扩散。以1C充放电，其放电容量高达148 mAh g-1，在高倍率10C下仍可表现出较高的放电容量（117 mAh g-1）。引入蛋清后，热解后得到厚度均匀的碳包覆层（厚度约5nm），氮掺杂碳包覆磷酸铁锂材料可表现出较好的电化学性能（1C放电容量为144 mAh g-1， 5C放电容量为120 mAh g-1）。导电碳/内碳类石墨碳型磷酸铁锂在0.1C下，比容量达到192 mAh g-1，其可逆比容量突破了LiFePO4理论容量。这些研究工作对于促进磷酸铁锂应用发展具有重要科学意义。