具有优异倍率性能和低温性能的磷酸铁锂正极材料

Carbon-Nanotube-decorated [email protected] Cathod Material

从传统可移动式电子产品到电动汽车和智能电网储能电站等新兴领域,锂离子电池正在扮演着越来越重要的角色。磷酸铁锂(LiFePO4)作为锂离子电池正极领域的一个明星材料,具有理论容量高、热稳定性好、环境友好和廉价等诸多优点,引起了锂电工作者们广泛的关注和研究。然而,由自身晶体结构决定的电子绝缘和离子传输过程缓慢等本性,严重地限制了磷酸铁锂锂离子动力电池的倍率性能和低温性能。中国科学院化学研究所郭玉国研究员课题组针对这一问题,进行了深入而细致的研究,显著地提升了LiFePO4正极材料的高倍率、低温和循环性能。相关结果发表在Advanced Energy Materials上

在当前提升LiFePO4材料电化学性能的各类方法中,碳包覆纳米磷酸铁锂被认为是最有效的方法之一。然而,在形成LiFePO4纯相的烧结温度下,通过高温碳化生成的碳材料通常为电导率较低的无定形态,很难大幅提高LiFePO4材料的倍率性能和低温性能。为了更好的解决这一问题,该团队首先在纳米LiFePO4颗粒表面包覆上厚度为2-3纳米的均匀碳层,然后再引入高分散性的纳米碳管(CNT),构筑了具有三维纳米导电网络结构的LiFePO4@C/CNT纳米复合正极材料。在该复合结构中,两类碳材料在提升LiFePO4性能方面扮演着同等重要但不同的角色。无定形包覆碳在稳定纳米LiFePO4颗粒表界面的同时,还可促进电荷转移过程,而石墨化纳米碳管则可以优化电子传输通道,减小极化和电池内阻。两类碳材料的协同作用,极大地提升了LiFePO4正极材料的综合电化学性能,扣式电池测试结果表明:(1) 120C的高放电倍率下,容量保持率达到59%;(2) -25oC低温条件下的放电容量保持率达到71.4%,放电中值电压达到3.25V以上;(3) 1C条件循环500圈,容量保持率达98.5%。近期软包全电池的测试结果表明,其低温性能可以更好。

该工作中构筑的三维纳米导电网络结构,不但可以作为一种的普适方法,在改善其他材料电化学性能方面得到广泛的研究和应用,而且有望促进具有优异高倍率和低温性能的锂离子动力电池的发展。

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