鋰離子電池正極材料LiFePO4研究取得重要進展

發(fā)布時間：2016-03-23 文章來源：技術(shù)部

鋰離子電池是當今社會移動電子設(shè)備的必要電源，由正極、負極、隔膜、電解液等組成，其關(guān)鍵性能指標（如倍率性能和循環(huán)壽命）由正極材料的電化學(xué)性能決定。LiFePO4是公認的正極材料，為提高其電化學(xué)性能，人們長期致力于縮短鋰離子的擴散距離，即減小[010]方向的尺寸。**近的研究表明，電極由大量粒子組成，其電化學(xué)性能主要依賴于充放電過程中同時參與電化學(xué)反應(yīng)的粒子（活化粒子）占總粒子數(shù)的比例。因此，如何獲得具有高活化粒子數(shù)比例的LiFePO4是正極材料研究的關(guān)鍵問題。

針對此問題，金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室高性能陶瓷材料研究部王曉輝課題組在前期研究基礎(chǔ)上（J. Phys. Chem. C 114: 16806 (2010); Phys. Chem. Chem. Phys. 14: 2669 (2012); CrystEngCommun 16: 10112 (2014)），通過創(chuàng)造極度缺水的酸性合成環(huán)境，在國際上首次制備出12 nm厚的[100]取向LiFePO4超薄納米片。電壓回滯實驗結(jié)果顯示由該材料構(gòu)成的電極具有迄今為止**小的電壓間隙（voltage gap），恒電位間隙滴定測試結(jié)果說明此電極具有高的活化率和轉(zhuǎn)化率，這些結(jié)果表明由[100]取向LiFePO4超薄納米片構(gòu)成的電極具有高的活化粒子數(shù)比例。因而，該電極具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)壽命。在10 C（60分鐘/10 = 6分鐘）充放電倍率下，循環(huán)1000次后能保持初始容量的90%。在20 C充放電倍率下，容量仍可達到理論容量的72%。該工作為今后進一步提高鋰離子電池倍率性能提供新的方法和視角，即不僅可以通過減小[010]方向的尺度來縮短鋰離子的擴散距離，同時還可以通過調(diào)控[100]方向的尺寸來提高鋰離子電池的活化粒子數(shù)比例來提高鋰離子電池倍率性能。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在2016年1月13日出版的Nano Letters (16: 795-799)雜志上。

該工作得到了金屬所“引進****學(xué)者”項目和中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。

圖 1

圖1（a）新合成的樣品和把樣品分散后再滴到非晶硅上的XRD圖譜。（b）圖a的示意圖。（c, d）LiFePO4的TEM圖。（e）對應(yīng)（d）的電子衍射花樣。用高斯函數(shù)擬合LiFePO4晶粒沿著不同方向的尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)。（f）a軸，12 nm，（g）b軸，134 nm，（h）c軸，280 nm。

圖 2

圖2（a）[100]取向，微波輔助合成以及[010]取向LiFePO4的形貌示意圖。（b）在不同的充放電電流下，從C/2到C/100，分別由[100]取向、微波輔助合成、[010]取向的LiFePO4構(gòu)成的三種電極的電壓間隙。（c）在LiFePO4中Li化學(xué)勢相對于Li分數(shù)變化的函數(shù)關(guān)系，其中存在一個****轉(zhuǎn)變勢壘（Δμb），定義為極大值和在不相混溶區(qū)中間的化學(xué)勢之差。（d）[100]取向和微波輔助合成LiFePO4電極的恒電位間隙滴定及其擬合實驗數(shù)據(jù)結(jié)果。

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