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磷酸铁锂(LiFePO4)作为新型锂离子电池正极材料具有高安全性、低成本、高温性能好、环境友好等优点,并被认为是锂离子动力电池的首选正极材料,因而成为目前电池界竞相开发与研究的热点。但由于本身晶体结构的限制,纯净LiFePO4的电导性和离子扩散性能差,从而导致其实际比容量不高且大电流放电性能差,因此需从提高LiFePO4材料的电子传导性和离子传导性着手来对其进行改性研究。
本文利用球磨技术处理原材料,采用高温固相法制备LiFePO4,并对其进行碳包覆、Mg2+体相掺杂改性研究和电极制备工艺研究。应用TG-DTA、XRD、SEM、CV、EIS以及充放电测试等方法,系统地对其合成工艺、材料改性、结构表征、电化学性能以及电极制备工艺等方面进行了研究。
结果表明,掺入的碳不仅能有效防止Fe2+氧化为Fe3+,而且碳作为成核剂能防止材料颗粒长大,所得的碳包覆LiFePO4的晶粒形貌更规则、颗粒更细小且分布更均匀;随着含碳量的增大,材料的振实密度明显减小;碳含量和焙烧温度对材料的电化学性能有很大影响,从材料的实用化角度考虑,含碳量为6%,焙烧温度为650℃时,材料的电化学性能最优,首次放电比容量达143mAh·g-1。
在碳包覆的基础上,进行Mg2+体相掺杂改性后所制备的LiFe1-xMgxPO4/C材料,经过碳包覆租Mg2+体相掺杂的双重改性后,不仅比容量有所升高,而且材料的电压平台及循环性能明显改善;随着Mg2+掺杂量的增加,材料的质量比容量先增大后减小,其中x=0.04时,材料的电化学性能最优,首次放电比容量达153mAh·g-1。
研究了粘结剂(PTFE)含量、导电剂(乙炔黑)含量以及电解液对LiFePO4的电极性能的影响,结果表明,电极制备工艺对材料性能的发挥有重要影响:适合的粘结剂含量为6%;适合的导电剂含量为15%;在较低倍率0.1C下,三组分有机溶剂(EC:DEC:DMC=1:1:1)表现出更优良的性能,而在较高倍率1C下,二组分有机溶剂(EC:DMC=1:1)表现出更优良的性能;导电盐LiPF6的性能明显优于LiBF4。