同轴碳芯结构LiFePO4/C复合材料制备及其取向生长机理

The modification of LiFePO4, such as carbon coating, lattice doping, multi-modification and optimization for its morphology, has been investigated deeply, but the research of its modification, utilizing the orientation of its crystal structure to construct the composite materials with coaxial carbon core structure, is rarely reported. This project aims to realize the fast diffusion of lithium ion and electron by constructing LiFe1-xRexPO4/C composite materials with a preferred structure orientation and coaxial carbon core structure, using uniform hydroxyl vegetable fibers as matrix and inducing the preferred orientation growth of LiFePO4 crystal through the magnetic field. The nucleation and growth of LiFePO4 on vegetable fibers will be investigated and the key technology of its morphology and crystal orientation will be controlled. The effect of doping rare earth metal ions on the crystal orientation of LiFePO4 will be investigated. The combination of LiFePO4 nanocrystalline and amorphous carbon will be analyzed and the induced nucleation and growth mechanism of LiFePO4 nanocrystalline will be discussed. The ordered assembly of composite materials through controlling the magnetic field will be realized to increase their loading capacity on current collector. The mechanism of interface diffusion and conduction will be explored and the model of interface diffusion and conduction will be found. The successful implementation of this project will provide theoretical guidance and new design ideas for the modification research of LiFePO4.

LiFePO4在碳包覆、晶格掺杂、复合改性及形貌优化方面已进行了较深入的研究，但利用晶体结构取向性和构筑同轴碳芯结构复合材料的研究还鲜见报道。本项目旨在以磁场诱导、取向生长为切入点，以结构均匀的多羟基植物纤维为基体，通过磁场诱导LiFePO4晶体择优取向生长，构筑具有结构取向的同轴碳芯结构LiFe1-xRexPO4/C复合材料，同时实现离子的快速扩散、电子的快速传输。研究LiFePO4在纤维上成核、生长情况，掌控其形貌和晶粒取向的关键技术；考察稀土金属离子掺杂对LiFePO4晶体的取向性的影响；分析LiFePO4纳米晶与无定形碳的结合方式，探讨LiFePO4纳米晶的诱导成核-取向生长机理；通过磁场控制实现复合材料在极片上的有序组装，提高其装载量；探索复合材料界面扩散及导电机制，建立界面扩散及导电模型。本项目的成功实施将为LiFePO4的改性研究提供理论指导和新的设计思路。

磷酸铁锂由于原材料来源丰富、毒性小、热稳定性好等显著优点，逐渐成为最受青睐的锂离子电池正极材料。然而，其本身较低的电子电导率、离子扩散系数和振实密度限制了磷酸铁锂的广泛应用。目前，大部分研究主要通过碳包覆、离子掺杂、形貌优化等方法对磷酸铁锂进行改性。本项目主要通过水热法、蒸发自组装法等制备磷酸铁锂并研究在制备过程中的取向生长以及构筑具有同轴碳芯结构的LiFePO4/C复合材料。.以棉花纤维为基体通过蒸发自组装法制备得到同轴碳芯结构的磷酸铁锂复合材料。以棉花纤维为基体通过浸渍法制备得到具有均匀大小和形状的磷酸铁锂，磷酸铁锂颗粒粒径大小集中在1.5-3μm范围内。通过抽真空的方法以柳絮纤维为基体制备得到的LiFePO4/C复合材料中，柳絮纤维内部明显充塞大量的大小均匀的磷酸铁锂颗粒，得到了以磷酸铁锂为轴的同轴碳芯结构的复合材料。.通过浸渍法在棉花纤维表面生成大量的形状相同、大小均匀的谷粒状磷酸铁锂颗粒。采用水热法通过磁场的诱导取向生长制备出定向生长的谷粒状LiFePO4/C复合材料。以高温导热油中通过共沉淀法制备得到微纳米球形的LiFePO4/C复合材料。其在0.1C倍率下的放电容量可以达到165mAh/g,而在高达50C的倍率下初次放电容量可以达到106mAh/g，而经过20次循环后的容量保持率仍然高达98%。.通过直链淀粉辅助蒸发自组装法制备得到三维网络结构的LiFePO4/C纳米线。这种结构的复合材料在0.1C倍率下的放电容量可以达到167mAh/g，而当倍率达到50C时放电容量为138mAh/g，而在此倍率下经过100次循环后容量保持仍高达92.8%。通过聚乙二醇为碳源诱导蒸发自组装制备得到三维泡沫结构的LiFePO4/C复合材料。此复合材料在1C倍率下放电容量可以达到150mAh/g，而在20C的倍率下的放电容量仍然有120mAh/g。.本项目以磁场诱导、取向生长为切入点，以结构均匀的多羟基植物纤维为基体，通过磁场诱导LiFePO4晶体择优取向生长，构筑具有结构取向的同轴碳芯结构LiFePO4/C复合材料。掌握磁场控制制备技术，通过具有结构取向的复合材料，提高复合材料在极片上的压实密度，实现了在高倍率下的高比容量和长循环寿命。