【摘 要】
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硅酸亚铁锂（Li2FeSi O4）正极材料因其结构稳定、原料广泛、环境友好、高能量密度以及环境友好等优点而受到了锂离子电池行业界的广泛关注,而正极材料又是锂离子电池比容量上限的影响因素,其性能的好坏决定了电池的价值。此外,硅和铁在自然界中储量丰富,这就使得硅酸亚铁锂的大规模生产成为了可能。在正极材料中磷酸铁锂（LiFePO4）已经具有诸多优点,但也存在着缺点,磷酸铁锂在放电后期放电曲线与工作平台曲
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硅酸亚铁锂（Li2FeSi O4）正极材料因其结构稳定、原料广泛、环境友好、高能量密度以及环境友好等优点而受到了锂离子电池行业界的广泛关注,而正极材料又是锂离子电池比容量上限的影响因素,其性能的好坏决定了电池的价值。此外,硅和铁在自然界中储量丰富,这就使得硅酸亚铁锂的大规模生产成为了可能。在正极材料中磷酸铁锂（LiFePO4）已经具有诸多优点,但也存在着缺点,磷酸铁锂在放电后期放电曲线与工作平台曲线基本成垂直关系,那么电压与比容量之间就成了非线性关系,而这一问题造成了开路电压法难以准确测量电池的荷电压状态,进一步给电池管理系统的测试带来较大的影响,而从Li2FeSiO4正极材料的充放电曲线图中可以看出,它的放电曲线的斜坡化程度非常高,特别是在3.0V以下,因此通过对磷酸铁锂电极材料组成中混入硅酸亚铁锂正极材料进行优化,使得磷酸铁锂电极材料的充放电曲线斜坡化,最终使磷酸铁锂电池在放电后期中电压与比容量可以成线性关系,解决磷酸铁锂电池难以通过简单测量电池电压直接测算剩余电量（SOC）的共性问题。针对存在的问题,从Li2FeSiO4的合成、碳包覆和构建双活性物质Li2FeSiO4/LiFePO4/C复合材料开展了研究工作:（1）在第三章中采用氢氧化锂（LiOH·H2O）、硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）和二氧化硅（SiO2）为原料,葡萄糖为碳源,去离子水为溶剂,通过水热法合成了梭子形貌的Li2FeSiO4和Li2FeSiO4/C正极材料。经XRD分析,碳以无定型晶型存在,两种正极材料均与Li3PO4为异构体,属于Pmn21空间群,且碳包覆后的复合材料分布更均匀。通过对Li2FeSiO4进行不同碳含量包覆,发现碳含量为10%的样品的电化学性能比其他同结构材料的要好,在0.1C、0.5C、1C、2C和3C不同的倍率下,其放电比容量分别为105.2mAhg-1、93.5 mAhg-1、88.9mAhg-1、81.6mAhg-1、78.4mAhg-1和113.8mAhg-1,当经过3C的放电倍率回到0.1C时比容量能够得到很好的恢复,说明了该复合材料具有良好的可逆性。（2）在第四章中采用碳酸锂（Li2CO3）、二氧化硅（Si O2）、草酸亚铁（FeC2O4·2H2O）为原料,葡萄糖为碳源,通过固相法合成了Li2FeSiO4/C复合材料,并对比了不同碳含量的电化学性能。经XRD分析碳包覆后的样品没有杂质峰的存在,且当碳含量为10%时颗粒尺寸分布均匀。电化学性能分析结果显示,碳包覆处理后的材料其电化学性能都得到了较大的提高,其中碳含量为10%的样品具有最高的充放电比容量和循环性能,复合材料分别在0.1C、0.5C、1C、2C和3C的倍率下充放电循环曲线,其分别对应的可逆比容量为120.3mAhg-1、106.2mAhg-1、102.1mAhg-1、96.4mAhg-1、93.3mAhg-1和119.7mAhg-1。当电流由3C变为0.1C时,其容量立刻恢复到与初始循环是相当的数值,说明了该复合材料具有良好的可逆性。（3）以第四章固相法所制备的Li2FeSiO4/C正极材料和工业化的LiFePO4/C为原料,通过喷雾干燥法合成Li2FeSiO4/LiFePO4/C复合材料。经SEM分析,该复合材料在高温处理后依然保持球形形貌。对该复合材料做成的扣式电池进行电化学性能测试,在0.1C、0.5C、1C、2C和3C倍率下其比容量分别对应于170.1mAhg-1、165.6mAhg-1、161.3mAh g-1、154.4 mAhg-1、149.5mAhg-1、170.4mAhg-1,而最重要的是,该复合材料在3.3V电压平台之后表现为一条斜坡化的曲线,与LiFePO4/C,并经过线性拟合其R值为0.98272与相关系数1非常接近,这表明了在电压3.3V之后的放电曲线可以用一条简单的公式代表,这对LiFePO4/C不能简单通过测试电压就能得到SOC估算值的问题得到了有效的改善,进一步说明了通过混入了Li2FeSiO4/C材料能使得LiFePO4/C放电曲线斜坡化这一说法是正确有效的。
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