二次碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备与性能研究

来源 :黑龙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:myth_liu
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本论文采用两步法制备了二次碳包覆磷酸铁锂复合材料。首先以Li2CO3、Fe C2O4·H2O、NH4H2PO4为原料,聚乙二醇(PEG)为颗粒生长抑制剂,通过高温煅烧制备出具有纳米结构的磷酸铁锂材料,再以制备的磷酸铁锂为原料,分别以蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠等有机物为碳源,经过高温碳化制备二次碳包覆磷酸铁锂复合材料。然后对合成磷酸铁锂和二次碳包覆磷酸铁锂复合材料进行热失重(TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱、循环伏安(CV)及交流阻抗(EIS)等一系列表征和性能测试。并分别以获得的磷酸铁锂材料和二次碳包覆磷酸铁锂复合材料为正极组装成锂离子电容器,对其进行恒流充放电等电化学性能进行测试分析。在此过程中我们考察了(1)煅烧温度和PEG加量对磷酸铁锂材料的影响;(2)二次碳包覆过程中,蔗糖加量以及碳化温度对二次碳包覆磷酸铁锂复合材料的影响;(3)碳源对二次碳包覆磷酸铁锂复合材料的影响;(4)水体系锂离子电容器的优化。实验结果表明:(1)以PEG为颗粒生长抑制剂成功制备了粒径约为100 nm的磷酸铁锂材料,在实验过程中,PEG的链状结构能有效的控制了晶粒生长与团聚,形成粒径较小且形貌规则的磷酸铁锂材料;并得到当煅烧温度为550℃、PEG加量为1.0 g时制备的样品具有最优的电化学性能,循环伏安结果表明,该样品在5m V/s的扫描速率下,比电容值达到725 F/g。其组装的锂离子电容器在电流密度为2 m A/cm~2时,比电容值可达49.6 F/g。(2)以蔗糖为碳源成功的制备了具有良好碳包覆结构的二次碳包覆磷酸铁锂复合材料,并且得到了当煅烧温度为550℃、蔗糖加量为1.0 g制备的样品具有最优的电化学性能,循环伏安结果表明,该样品在5 m V/s的扫描速率下,比电容值达到845 F/g。其组装的锂离子电容器在电流密度为2 m A/cm~2时,比电容值可达59.3 F/g,且具有良好的循环稳定性。相对于未进行二次碳包覆磷酸铁锂材料,电化学性能有了明显的改善,这主要是由于二次碳包覆形成的碳层有助于锂离子在磷酸铁锂晶体与电解液间的扩散,提高离子导电率,从而改善电化学性能。(3)相对于PVP和羧甲基纤维素钠,以蔗糖为碳源制备的二次碳包覆磷酸铁锂复合材料及其组装的锂离子电容器具有更好的电化学性能。(4)在对不同水系电解液锂离子电容器的影响考察中,我们发现以1 mol/L Li NO3水溶液为电解液的锂离子电容器具有更好的电化学性能,其最高工作电压可达1.6 V;在对工作电压对锂离子电容器的影响考察中,我们发现随着工作电压的增加,锂离子电容器的能量密度大幅增加。
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