锂离子电池正极材料Li2FeSiO4的改性研究

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本文采用回流辅助固相法成功合成了抗坏血酸改性Li2FeSiO4/C正极材料(LFS/C-AA),Na掺杂改性Li2Fe0.5Mn0.5SiO4/C正极材料(Li2-xNaxFe0.5Mn0.5SiO4/C)以及不同锂盐用量的Li2FeSiO4/C正极材料(LixFeSiO4/C)。采用X射线衍射分析仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)分析了相关复合材料的物相、形貌及其微观结构;通过恒流充放电测试、循环伏安法(CV)、电化学交流阻抗(EIS)和四探针测试仪来表征材料的电化学性能。  (1)添加抗坏血酸对LFS/C进行改性研究,结果表明:LFS/C-AA复合材料结构为单斜结构(JCPDS, No.77-4374),空间群为P21;样品的颗粒尺寸为100~500 nm,与LFS/C(80~200 nm)相比,LFS/C-AA(30~100 nm)具有较小的颗粒尺寸,这样缩短锂离子扩散路径,有利于锂离子的扩散;抗坏血酸在烧结过程中能够有效地抑制Fe2+的氧化,抗坏血酸的热解碳表现出较高的电导率,而且LFS/C-AA中残余碳的石墨化程度明显提升(ID/IG=1.73),与LFS/C(117.3 mAh g-1)相比,LFS/C-AA在0.1C下初始放电容量为163.3 mAh g-1,表现出了良好的电化学性能,性能的提升得益于减小的颗粒尺寸,提高的电导率以及锂离子扩散率。  (2)对于Na掺杂改性Li2Fe0.5Mn0.5SiO4/C复合材料, XRD结果表明, Li2-xNaxFe0.5Mn0.5SiO4/C是空间群为P21和Pmn21的混合晶型。所有样品呈现不规则的颗粒,尺寸范围为~100 nm到~500 nm,XPS证实Na不仅存在于Li2Fe0.5Mn0.5SiO4/C颗粒表面,同时也成功的掺入到Li2Fe0.5Mn0.5SiO4/C晶格中。Na掺杂能够有效地提高Li2Fe0.5Mn0.5SiO4/C材料的放电容量, LFMS-0.01Na首次放电容量最高为264.6 mAh g-1,对应于1.59 mol Li+的脱嵌。Na掺杂同时提升材料的倍率性能,这是因为掺杂提高了材料的电导率以及锂离子扩散率,同时降低了电荷转移电阻。循环过程中所有样品的容量都表现出一定的衰减, LFMS, LFMS-0.01Na, LFMS-0.03Na以及LFMS-0.05Na的容量保持率分别为47.9,51.7,58.7和55.1%,通过样品充放电前后XRD分析表明,充放电后样品的衍射峰变弱甚至消失,这是由于LFMS中LMS在首次充电后发生无定型转变,而且这种转变是不可逆的。  (3)通过不同锂盐用量来合成LixFeSiO4/C正极材料,实验结果表明,当x=2.02时,Li2.02FeSiO4/C表现出最好的电化学性能,0.1 C下,Li2.02FeSiO4/C的首次放电容量达到161.9 mAh g-1,循环50圈后容量为138.2 mAh g-1,容量保持率为85.3%, EIS结果表明,Li2.02FeSiO4/C的电荷转移电阻最低,与其他电极相比具有更快的动力学,而且Li2.02FeSiO4/C具有最大的电子电导率以及锂离子扩散率。
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