三维碳-磷酸铁锂复合电极材料

橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)材料因其热稳定性好、循环寿命长、环境友好、原料来源丰富等优势,是目前最具应用潜力的动力锂离子电池正极材料。然而,由于该材料导电率低(10-10 S·cm-1)、离子扩散速率慢(一维锂离子通道,10-14 cm2·s-1)等固有缺陷,导致倍率性能差,限制了其在动力电池中的实际应用。

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 为解决这些问题,昆士兰大学赵修松(George Zhao)教授课题组与哈尔滨工业大学王殿龙教授课题组合作构筑了一种三维碳-磷酸铁锂复合材料:碳纳米管插嵌在LiFePO4多孔球中,形成了导电性良好的碳纳米管网络;LiFePO4球体中的丰富孔道提供了锂离子快速传输通道。复合材料的微米球形形貌,有利于振实密度的提高和体积能量密度的改善,拓展了其在电动汽车领域的实际应用前景。值得一提的是,碳纳米管具备良好的双电层储能特性。在大倍率充放电时,复合材料中电容组分(碳纳米管)的快速容量响应,可以有效缓冲对电池组分(LiFePO4)的“冲击”,提升材料的倍率性能和循环稳定性。

电化学测试结果表明,该复合材料在60C倍率下,可逆比容量保持为73 mAh·g1;10C循环1000次,容量保持率为98 %,体积能量密度保持为443 Wh·kg-1;1C放电后,20C快速充电200秒,充电容量为135 mAh·g1,充电率达90%。进一步通过密度泛函理论(DFT)计算发现,LiFePO4与碳纳米管复合界面处,价电子云富集,带隙变窄,电子在费米能级处出现的概率增加,成为电化学反应的活性位点。相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201600426)上。

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