聚阴离子型锂离子电池正极材料的合成与改性研究

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聚阴离子型正极材料Li3V2(PO4)3和Li2FeSiO4因具有成本低、环境友好、结构稳定、循环寿命长、安全性好等优点而备受关注。但是聚阴离子型材料的本身特点却又决定了其(Li3V2(PO4)3和 Li2FeSiO4)都存在较低的电子电导率,从而大大的限制了其进一步的商业化生产和应用。因此,本论文采用金属离子掺杂-包覆共改性、原位制备薄膜电极和多种金属离子共掺杂等方法对Li3V2(PO4)3和Li2FeSiO4进行了合成与改性研究。  通过溶胶凝胶法制备出还原氧化石墨烯(rGO)改性铁掺杂磷酸钒锂Li3V1.94Fe0.06(PO4)3/C复合正极材料(LVFP/C@rGO)。与未改性的 Li3V2(PO4)3/C(LVP/C)和仅用rGO改性的Li3V2(PO4)3/C(LVP/C@rGO)相比,铁掺杂-rGO包覆共改性LVFP/C@rGO电极在1 C条件下表现出最高的初始放电比容量(164.4 mAh g-1),经过100次循环后其容量保持率为83.5%。当在5 C的倍率下充放电,经过1000次循环后仍能释放出129.3 mAh g-1的放电比容量,容量保持率高达91.5%,容量衰减率仅为每圈0.0085%。铁掺杂-rGO包覆共改性 LVP/C@rGO电极优异的电化学性能可归结于颗粒尺寸的减小、电子电导率的提高以及Li离子扩散系数的增加。  利用原位生长的方法成功制备了一种由3D掺 N碳纤维支撑的无粘结剂 LVP/C薄膜电极(LVP/C@NCF),葡萄糖热解得到的碳在 LVP颗粒表面形成碳包覆层,而由滤纸热解得到的氮掺杂碳纤维与LVP颗粒连接并作为集流体。与以Al箔为集流体的传统LVP/C电极(LVP/C@Al)相比,LVP/C@NCF薄膜电极显示出更高的倍率性能和更好的循环稳定性。特别是,当在高的倍率10 C条件下,它仍然提供高达107.6 mAh g-1的放电比容量,经过1000次循环后,该薄膜电极拥有非常低的容量衰减率,每圈衰减仅为~0.0048%。该薄膜电极优异的电化学性能归因于3D导电网络,以及原位制备的碳纤维集流体的协同效应。  通过回流辅助固相法合成了 Li2Fe1/3Mn1/3Co1/3SiO4/C(LFMCS/C)和Li2Fe1/3Mn1/3Ni1/3SiO4/C(LFMNS/C)三元固溶型硅酸盐复合材料。实验结果表明,与Li2FeSiO4/C相比,三元固溶型硅酸盐复合材料LFMCS/C和LFMNS/C表现出更好的电化学性能,尤其是LFMNS/C电极的首次放电比容量可达196.7 mAh g-1,且其锂离子扩散系数最大(2.15×10-12 cm2 s-1)。通过第一性原理计算可知,Mn/Co和Mn/Ni的引入可以有效降低Li2FeSiO4材料的带隙,提高其电导率,从而提高其电化学性能。LFMCS/C和LFMNS/C复合材料电化学性能的提升主要归因于:电子电导率的提高、电荷转移电阻的降低和锂离子扩散系数的增大。
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