关键词:
磷酸铁锂
氧化铁
碳热还原
碳源
石墨化度
摘要:
橄榄石结构的LiFePO4材料具有来源广泛、比容量高、循环性能良好、安全性能突出、对环境友好等优点,被视为最有前途的锂离子电池正极材料之一,受到了人们的广泛关注。但其电导率较低,高倍率性能不佳,而采用碳包覆的方法在一定程度上虽能解决这一问题,却使制备工艺更为复杂,也增加了成本。本论文采用廉价的原料通过碳热还原反应直接合成碳包覆的LiFePO4材料,并对工艺条件进行了详细的讨论,而后对不同碳源的碳化进行了深入的研究。
以Fe2O3为铁源,Li2CO3为锂源,NH4H2PO4为磷源,再选用不同的碳源为原料,采用碳热还原法直接合成出碳包覆的LiFePO4材料,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、比表面积分析仪和电化学性能测试方法对磷酸铁锂材料的物相结构、表面形貌、含碳量、比表面积及电化学性能进行了研究。并通过正交试验方法,讨论了不同的烧结温度、烧结时间和掺碳过量百分比对材料电化学性能的影响。在设定的条件下,最优的试验条件为:烧结温度为750°C,烧结时间为12h,掺量过量百分比为5%。在此工艺条件下,合成的LiFePO4材料具备和良好的电化学性能,在0.1C电流密度下首次放电比容量为135.8mAh/g,而在30次循环后容量有所上升,为143.2mAh/g,原因在于其具有较高的比表面积。
本论文还讨论了在上述方法中,不同碳源对材料电化学性能的影响,研究表明:以豆油为碳源制备的LiFePO4材料的电化学性能最好,在0.1C电流密度下首次放电比容量为145.6 mAh/g,循环30次后比容量为142.8mAh/g,衰减率仅为1.9%。
此外,本论文还对不同碳源的碳化进行了研究,以探索不同碳源包覆导致LiFePO4材料性能差异的原因。通过X射线衍射仪、场发射透射电子显微镜、拉曼光谱仪及比表面积分析仪对碳源碳化后制得的材料的物相结构、晶体有序化结构及相应包覆后的LiFePO4材料的比表面积进行了分析。我们发现:碳源碳化后材料的石墨化度和相应包覆后LiFePO4材料的比表面积都影响着LiFePO4材料的电化学性能,石墨化度越高,比表面积越大,电化学性能越好。