水热合成磷酸铁锂的碳包覆工艺研究

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碳包覆是提高水热合成磷酸铁锂电导率的重要步骤。碳源及包覆工艺对碳包覆层和LiFePO4/C的物化性能有较大影响。选取葡萄糖、蔗糖和PEG6000(PEG6000)等碳源对磷酸铁锂进行碳包覆。利用热分析仪(TG-DTA)研究碳源及其在磷酸铁锂表面的热行为。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和电化学性能测试仪研究碳包覆对LiFePO4/C性能的影响。磷酸铁锂浆料的洗涤是碳包覆的前序工艺,考察洗涤用水量及洗涤次数对磷酸铁锂中硫酸根含量和电化学性能的影响。结果表明,单次洗涤用水量m1:浆料质量m2=2:1,洗涤两次,洗涤效果最好。碳源单独碳化和在磷酸铁锂表面的碳化过程明显不同。磷酸铁锂对碳源碳化起催化作用,使起始碳化温度降低8%以上。对于三种选定的碳源(葡萄糖、蔗糖、PEG6000),失重主要发生在400℃之前。依据TG-DTA曲线确定了关键的煅烧温度点。研究了煅烧温度、升温速度和保温时间对LiFePO4/C电化学性能的影响,制定出了最佳的煅烧工艺:以8℃/min的升温速度升至350℃后保温2小时再以同样的速度升至700℃并保温4小时,自然冷却到室温。煅烧温度是影响LiFePO4/C电化学性能的最主要因素,它不仅影响碳层的石墨化程度还提高了磷酸铁锂的结晶度。研究了碳包覆量对LiFePO4/C电化学性能的影响。结果表明,LiFePO4/C中碳含量为2wt.%左右时是最佳的碳层厚度,以PEG6000为碳源制备的LiFePO4/C表面碳网络均匀致密,表现出最高的容量和优异的倍率性能、循环性能、低温性能。通过改变样品中和气氛中的水分含量考察气氛还原性对水热合成磷酸铁锂的碳包覆效果的影响。结果表明,煅烧过程中气氛还原性对LiFePO4/C电化学性能有一定的影响。水分含量越高气氛还原性越强,并影响磷酸铁锂材料表面的活性和包覆碳层的均匀性,导致LiFePO4/C电导率降低,电化学性能变差。本文通过实验优化和理论分析探索出了最佳的碳包覆工艺。制备的LiFePO4/C复合材料表现出优异的电化学性能,即161.6(0.2C)、156.6(1C)和144.0mAh/g(3C),-20℃时的0.2C容量约为125mAh/g,与室温容量相比容量保持率高达78%。
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