锂电正极材料:单晶磷酸铁锂纳米筛

随着能源危机和环境污染问题的日益突出,能源储存装置备受关注。锂离子电池作为典型的储能装置,其具有使用寿命长、自放电率小、能量储存效率高、资源丰富、安全以及无记忆效应等诸多优点,是未来电动汽车和便携式电子设备的首选动力装置。电极材料是锂离子电池的重要组成部分之一,很大程度上决定着电池性能的优劣。近年来,橄榄石结构的磷酸铁锂因其具有工作电压高、理论比容量大、热稳定性好、环境友好、价格低廉等优点而成为极具发展前景的正极材料之一,在学术界和工艺界引起了广泛的关注和研究。然而其电子导电性差和锂离子扩散速率低等缺点也制约了锂离子电池性能的进一步提高。因此,磷酸铁锂材料的结构及性能的改善成为锂离子电池领域重要的研究课题之一。Smallwangyu

现今,重庆大学王煜教授课题组经过深入而细致的研究,基于简单的低晶格失配原理,首次制备了新颖的单晶磷酸铁锂纳米筛,显著地提高了磷酸铁锂正极材料的储锂性能,特别是循环性能和倍率性能。其中,低晶格失配大大降低了晶型转变过程中的转化能,因而通过煅烧可以使前驱物有效转变为具有特定[010]晶体取向的目标产物。这种独特的单晶磷酸铁锂纳米筛不仅具有[010]锂离子快速扩散通道而且包含均匀的多孔结构,极大程度地加快了锂离子扩散的速率,从而明显增强了磷酸铁锂电极材料的电化学性能。其具体电化学测试结果如下:(1) 优异的循环稳定性:在0.3 A/g的大电流密度下循环4000次后,容量依然稳定在163 mAh/g,且容量保持率高达99%; (2) 突出的倍率性能:在0.3 A/g的电流密度下循环3000次后,容量保持在163 mAh/g,随后依次增加电流密度为1,2,5,10 A/g,且分别循环200次,其对应的容量分别为140,128,114, 90 mAh/g。 而当电流密度再次降到0.3 A/g,同时循环200次后,容量仍能稳定在163 mAh/g; (3) 良好的低温性能:在0℃的测试条件下,当电流密度设定为0.3 A/g 和2 A/g时,相应的容量也可达到75 mAh/g 和50 mAh/g。

综上所述,该课题组基于简单的低晶格失配原理,首次合成了新颖的单晶磷酸铁锂纳米筛。这种结构独特、性能优越的正极材料使锂离子电池的循环性能和倍率性能实现了巨大突破,同时也必将促进锂离子电池在其他领域的广泛应用。相关文章发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201502743)上。

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