锂离子电池LiFePO4-V2O5-石墨烯正极材料的制备及电化学性能研究

摘要

随着环境污染的加剧及化石能源的消耗，开发新的清洁能源以及能源的转化存储设备已经刻不容缓。而在所有这些能源存储设备中，锂离子电池因其绿色高效备受关注，已成功实现商业化。其中，其中LiFePO4电极由于其突出的安全性能和低廉的价格，具有广阔的应用前景。然而随着电动汽车、便携式电子设备的发展，LiFePO4电极存在的比容量低、动力学性能欠佳等问题成为限制其发展的主要因素，循环寿命和倍率性能等，需要大幅度提高。基于此，本文从降低材料的尺寸出发制备了LiFePO4纳米粒子，缩短其离子扩散路径；并通过与高电导率的石墨烯、高比容量的V2O5的自组装实现三元异质纳米结构的杂化，提高其电导率与比容量。
　　在LiFePO4纳米粒子的制备过程中，通过对实验关键参数的系统研究，得出在三种原料摩尔比Fe：PO4：Li=1:1:2.5、反应温度为200℃且反应时间为10h时合成样品的形貌更加均一且分散性好。对该实验条件下合成的样品进行CV、EIS和充放电等电化学性能研究，得出在电流密度为0.05C和0.1C时循环100圈后的放电比容量分别可以达到74.8mAh·g-1和30.2mAh·g-1，且在倍率性能测试中在10C电流密度下循环16次后的放电比容量为30.2mAh·g-1。
　　在LiFePO4纳米粒子与片状石墨烯的自组装过程中，得到最佳组装效果的实验条件是二者在140W的功率下超声8h，质量比为9:1。通过SEM、TEM和EDS等测试手段对其结构进行表征，对比该样品与纯LiFePO4纳米粒子的电化学性能，发现前者的倍率和循环性能有了较大的改进。在电流密度为0.05C和0.1C时循环100圈后的放电比容量可以达到129.6mAh·g-1和125.8mAh·g-1，在电流密度为2C和5C时循环100圈后的放电比容量仍可以达到119.9mAh·g-1和97.8mAh·g-1，表明组装后的样品在大电流下能表现出稳定的电化学性能。此外，在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C电流密度下各循环16圈，在10C循环后的放电比容量可以达到82.2mAh·g-1。
　　最后，是LiFePO4纳米粒子、V2O5纳米线及片状石墨烯三者的自组装过程。同样可得出三者是在140W的功率下超声8h得到的产品组装效果更佳，在该实验条件下，做了三组不同质量比的实验，通过形貌和电化学性能的对比，可以得出质量比为6:3:1时样品的性能最优。在电流密度为2C和5C时循环100圈后的放电比容量分别是139.9mAh·g-1和133.3mAh·g-1，且在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C和10C倍率下各循环16次，10C循环后的放电比容量可以达到97.9mAh·g-1。