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磷酸铁锂(LiFePO4)作为新一代锂离子电池正极材料,以其高安全性、环境友好、循环性能稳定和价格低廉等优点引起了广泛的关注。因其具有结构稳定、工作电位适中、可逆容量高、无毒价廉等优点,被认为是继尖晶石型LiMn2O4之后的极具发展潜力的锂离子电池正极材料。
但是它存在电导率低和锂离子扩散缓慢的问题,导致材料在大电流充放电时产生可逆容量损失。在安全方面,传统的无机材料仍然存在安全隐患,主要原因是当电池过充时,易产生高价态金属氧化物,并伴随氧气的释放,这导致与电解液发生剧烈的放热反应。因为随着LiFePO4粒子尺寸的减小,锂离子的传输深度和距离会相应地缩短,电导率提高。本文旨在通过减小LiFePO4粒子尺寸的方法提高LiFePO4材料的额定比容量和循环稳定性,再通过聚苯胺和其他有机物对其进行包覆以达到进一步提高LiFePO4的电导率和隔绝其与电解液发生反应的目的。
本文分别采用水热法和溶剂热法制备出了性能优异的LiFePO4。XRD测试表明两种方法制备的LiFePO4的结构均属于正交晶系,空间群为Pnmb。水热工艺下合成的LiFePO4形貌规则,无团聚现象,颗粒分布均匀,粒径为1μm左右。溶剂热法制备出的LiFePO4形貌规则,无团聚现象,颗粒细小且分布均匀,平均粒径为200nm左右。且在此工艺下合成的纳米级LiFePO4的首次充电容量为151.73 mAh·g-1,首次放电效率达到78.79%。经过30次充放电循环以后样品容量为首次放电容量的80.39%。
用聚苯胺对纳米级LiFePO4进行包覆后,并没有改变LiFePO4的晶体结构。LiFePO4/PANi复合材料中有机物的含量为16.81%。而且掺杂聚苯胺之后,样品的电导率从10-6提高到10-5数量级,提高了一个数量级。当放电倍率为0.1 C时,掺杂聚苯胺样品的放电容量达到162.39 mAh·g-1,且循环稳定性良好,达到85.07%。
制备了LiFePO4类流体,采用pH值调节法,使LiFePO4纳米粒子表面带上足够多的羟基,然后与有机硅烷季铵盐进行接枝,得到有机阳离子盐,再与带有聚氧乙烯链的磺酸阴离子通过静电结合。流变性能测试证实了LiFePO4纳米类流体在无溶剂的条件下具有类液体行为。透射电镜分析结果揭示了这种类液体行为的本质:每一个LiFePO4纳米粒子表面都被厚度为6nm的有机壳层包覆,该壳层结构很好地保证了各个纳米粒子之间的相对滑移。