关键词：
磷酸铁锂
微电子打印墨水
石墨烯
MXene
摘要：
磷酸铁锂（LiFePO4,简称LFP）是一种热门的锂离子电池正极材料。由于其安全性好,成本低廉,无毒无害,环境友好在动力电池中广泛使用。但其导电性较差,锂离子扩散速率偏低,放电比容量较小等缺陷制约了它的进一步发展。本文主要提出一种新的电极制备方法并添加氧化石墨烯（GO）、MXene材料来提高磷酸铁锂电极电化学性能,做出以下研究工作:第一,使用微电子打印机和商业磷酸铁锂提出一套新的锂离子电池正极制备方法,探索出适用于该打印机的水系墨水配制流程及参数。设计5个固含量浓度墨水分别为8%、9%、10%、11%、12%,对比其打印性能,找到最佳墨水固含量并用最佳配比制备电极,探究其电化学性能。用fluent软件模拟验证实验结果。得出结论:10%固含量的墨水打印效果最佳。在0.1C放电倍率下,首次放电比容量为142mAhg-1,100圈循环库伦效率为92%。交流阻抗为257Ω,分析原因是由于微电子打印机制备的极片涂布更均匀,半干混法配制浆料分散性更好,影响了最终的电化学性能。第二,为了提高磷酸铁锂的导电性,我们向磷酸铁锂中加入含量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%的氧化石墨烯粉末并将其热还原为还原氧化石墨烯（rGO）,制备出LFP/rGO复合材料并配成墨水,制作打印电极并研究其材料形貌及电化学性能。结果表明,随着氧化石墨烯粉末的加入量逐渐增大,电化学性能出现了先增大后减小的变化趋势,其中0.6%性能最好。在0.1C时,该材料首圈放电容量达152.1mAhg-1,是理论放电比容量的89.4%,交流阻抗最低为121Ω,氧化峰与还原峰极化减小,低倍率下100圈循环后库伦循环效率为96%。其原因是还原氧化石墨烯在墨水中形成导电网络,磷酸铁锂颗粒与石墨烯结合形成复合材料提升了其导电性能和电池容量,但加入量过大可能导致石墨烯团聚,影响其与磷酸铁锂的结合,从而影响其电化学性能。第三,通过加入不同比例的二维层状MXene（Ti3C2Tx）材料,研究其对磷酸铁锂材料电化学性能影响。首先制备Mxene材料,再制备LFP/MXene复合材料并配成墨水,调节添加比例为2%、3%、4%、5%、6%并制备电极,分析电化学性能。结果表明,随着MXene材料加入量的提高,电化学性能先升高后降低,其中加入量为4%时性能最好,0.1C时该材料首圈放电容量为156.1mAhg-1,100圈循环后,容量出现上升达到182.1mAhg-1,交流阻抗最低为101Ω,整体电化学性能提升效果比石墨烯的表现要好。分析其原因首先是MXene材料具有手风琴状的层状结构使磷酸铁锂与该材料接触位点更多,其次是由于MXene材料相比石墨烯材料其表面具有更多官能团结构,对材料电化学性能提升有所帮助。但加入过多,依然会发生团聚从而影响其性能。
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