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随着电动汽车热潮的到来,锂离子电池正极材料的研究引起广泛关注。其中,LiFePO4正极材料以其优异的循环性能和安全性能而备受青睐,目前被认为是最有前途的动力锂离子电池正极材料。由于汽车的工作环境温度变化较大,故对正极材料的高、低温性能要求较高。本文针对电动汽车用锂离子电池工作环境的特点,分析了材料的高、低温性能特点,并采用新型碳源改善低温性能,采用新型碳源、增加碳含量和Ni掺杂改善其低温、高温性能。研究内容可分为三部分:
1.采用两步固相反应法,以聚丙烯为碳源合成了LiFePO4/C正极材料。发现制得的碳含量为1.01％的LiFePO4/C颗粒的结晶度较高,形貌良好,但碳包覆很不完整。-20℃环境下0.1 C和1 C倍率容量为79.4 mAh/g、36.8 mAh/g,放电电压显著降低,且平台逐渐消失。60℃、200次1C倍率循环后容量保持率为81.7％。
2.以聚苯乙烯(PS)球为碳源合成碳完全包覆的LiFePO4/C正极材料,并探讨了不同碳含量对低温性能和高温循环性能的影响。聚苯乙烯纳米球呈单分散,流动性好,在球磨过程中可以与锂源、铁源和磷源化合物粉末充分混合,干燥后均匀分布在前驱体颗粒表面。在300～400℃预烧过程中聚苯乙烯球体发生流变和部分裂解,使前驱体颗粒表面均匀包覆一层聚苯乙烯和非晶碳的混合物膜,在煅烧过程中可以抑制前驱体的团聚和磷酸亚铁锂颗粒的长大。以PS球为碳源时,LiFePO4/C颗粒的形貌受碳含量影响较大,碳包覆量为1-37 wt.％时,颗粒尺寸不均匀,形状不规则;随着碳含量增加至3.01 wt.％和3.68 wt.％,颗粒呈类球形,尺寸均匀,且碳包覆非常完整。在-20℃下碳含量为3.01％时材料综合性能最佳,0.1 C、1 C放电容量分别为147.4mAh/g和78.1 mAh/g,1 C循环100次后容量保持率达99.9％。
3.分析了PS球为碳源LiFePO4/C系列材料的高温(60℃)循环性能,结果表明的高温循环稳定性对碳含量十分敏感,即通过适当增加碳包覆量可以有效改善材料的高温性能。采用以葡萄糖为碳源,合成Ni掺杂的LiFePO4/C改性正极材料,并探讨了不同碳含量和Ni掺入量对材料高温循环性能的影响。以葡萄糖为碳源,碳含量对LiFePO4/C高温循环性能变化的影响与PS球为碳源时一致。Ni掺入对LiFePO4/C的高温循环稳定性有一定的改善作用,但不如碳含量明显。