三維多孔LiFePO4-C復合材料的合成、表征與電化學性能研究.pdf

1、節(jié)能環(huán)保成為時代的主題，混合動力汽車(HEVs)和電動汽車(EVs)在此背景下應運而生并日益普及，鋰離子電池(LIBs)作為優(yōu)異的能量儲存裝置得到廣泛應用。鋰離子電池的性能主要取決于正極材料。橄欖石型磷酸鐵鋰(LiFePO4)因其比容量高(170mAh g-1)、循環(huán)壽命長、安全性能高和環(huán)保無污染等優(yōu)點被認為是應用前景廣闊的正極材料之一。然而，較低的鋰離子擴散速率和較差的電子轉移能力大大制約了LiFePO4在動力電池領域的大范圍應用。因

2、此，如何有效地提升LiFePO4的電子電導率與鋰離子擴散速率成為備受關注的研究熱點。
　　多孔結構可為鋰離子和電子提供快速擴散轉移的通道，且較大的比表面積可有效增加活性材料/電解液界面面積，減小材料內(nèi)部惰性區(qū)，并能夠保持電池充放電循環(huán)過程中的結構穩(wěn)定性。碳包覆能有效提升電子電導率，同時抑制材料的團聚。本論文通過定向冷凍干燥法、水熱法并結合石墨烯改性制備出多孔LiFePO4/C復合材料，借助掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射

3、、拉曼光譜等儀器和手段對合成材料的形貌結構、物相組成及化學組態(tài)進行表征分析，并通過組裝扣式電池進行充放電測試、循環(huán)伏安測試及電化學阻抗測試探究了合成材料的電化學性能，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過定向冷凍干燥法制備的碳包覆LiFePO4復合材料呈規(guī)則有序的三維多孔結構。獨特的有序多孔結構為鋰離子和電子提供了定向的高速傳輸通道，改善了材料的動力學特性，多孔壁上存在的大量納米孔，促進了電解液對活性材料的浸潤，同時能有效地緩解充放電

4、過程中體積膨脹引起的材料結構的破壞。因此，碳包覆三維定向多孔LiFePO4復合材料(DLFP/C)展示出良好的比容量及倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(2)采用定向冷凍干燥法成功合成了三維有序多孔石墨烯復合LiFePO4材料(LFP/GA)。石墨烯薄片均勻地嵌入LiFePO4顆粒形成的三維多孔骨架中，并與LiFePO4顆粒緊密接觸，加快了材料的電子轉移。有序的三維多孔結構豐富了鋰離子及電子擴散轉移路徑，改善了鋰離子的嵌入/脫出動力學，

5、石墨烯的引入增大了材料的比表面積，為鋰離子提供了更多的活性位點，同時，增大了電極/電解液的界面面積，LiFePO4的電化學性能得到進一步的改善。
　　(3)由水熱法制備的石墨烯包覆LiFePO4復合材料(LFP/GA)為三維多孔球形結構。石墨烯包覆和三維導電網(wǎng)絡的構建有效地連接了孤立的LiFePO4微球，協(xié)調(diào)了電子與鋰離子轉移過程，提升材料的比容量及倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。良好的石墨烯包覆狀態(tài)是改性成功的關鍵，石墨烯含量為10％的L