磷酸铁锂的合成因素对其低温性能的影响

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本文以FeSO4·7H2O为原料,采用共沉淀法及碳热还原法制备出LiFePO4/C。对LiFePO4/C低温性能进行初步探究和分析,再利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、粒度测试及电化学阻抗谱(EIS)等表征手段进一步验证。确定原料纯度、LiFePO4/C及其前驱体粒径、石墨烯改性对LiFePO4/C低温性能的影响。具体工作为:(1)以高纯级、工业级FeSO4·7H2O及两者不同比例混合为原料制备LiFePO4/C。低温测试结果表明:随着原料纯度降低,LiFePO4/C低温性能逐渐变差。-20℃低温下,高纯级原料制备的LiFePO4/C在0.2C、0.5C放电容量保持率分别为65.9%、44.9%;工业级原料制备的LiFePO4/C放电容量保持率仅为53.3%、31.9%。EIS测试结果分析得出,高纯级和工业级原料制备的LiFePO4/C锂离子扩散系数分别为4.53×10-13和8.56×10-15cm2/s。因此断定,锂离子扩散系数是影响LiFePO4/C低温性能的重要因素。不同纯度原料制备的FePO4·2H2O元素分析得出,工业级原料中大量的杂质元素(Ti)被引入到LiFePO4/C晶格中,造成晶格畸变堵塞Li+的扩散通道。因此,提高原料纯度是优化LiFePO4/C低温性能的重要方法。(2)利用不同直径规格的锆球研磨制备出前驱体,烧结出LiFePO4/C。结果表明,随着锆球直径的减小,前驱体及对应LiFePO4/C粒径均减小。经0.7mm锆球研磨出的前驱体及相应的LiFePO4/C的D50约0.4、0.8μm。0.7mm锆球研磨前躯体制备的LiFePO4/C,-20℃0.2C和0.5C低温容量保持率达到77.2%和66.9%。EIS结果分析得出,随着前驱体粒度的减小,制备出的LiFePO4/C中Li+扩散系数逐渐增加。这是由于LiFePO4/C颗粒减小,缩短了Li+通过LiFePO4/C的距离,提高LiFePO4/C低温性能。但是,过小的粒径会导致颗粒团聚,不利于电解液的浸润和Li+的脱/嵌,减小Li+扩散系数。因此,适当减小前驱体及LiFePO4/C的粒径能有效提高其低温放电比容量。(3)本文探究石墨烯添加对LiFePO4/C低温性能的影响。石墨烯的加入,会在碳包覆层的外面局部的出现网状石墨烯。但是,石墨烯不易分散,难以在LiFePO4/C颗粒间形成连续的导电网络。因此,石墨烯添加对提高LiFePO4的导电性和Li+扩散系数作用有限。电化学性能测试结果显示,石墨烯添加对LiFePO4/C高倍率性能有较为明显的效果,但对其低温性能没有显著提高。
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