高性能分级碳修饰双连续磷酸钒锂正极材料

在当前Untitled能源环境问题的巨大挑战下,高效节能、低排放电动汽车的发展受到了世界各国的广泛重视。作为电动汽车的动力电源,动力电池的性能对电动汽车安全可靠长久的运行起着关键性作用。磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3)由于其结构稳定、工作电压高、热稳定好以及理论容量高的优点而成为了非常具有商业化应用潜力的锂离子动力电池正极材料。此外,具有钠快离子导体结构的单斜相磷酸钒锂可为锂离子提供快速脱嵌的三维孔道,因此该材料离子扩散系数高(10−9 ~ 10−10 cm2 s−1)。然而,该材料的电子电导率较低(常温下为2.4×10-7 S cm-1),限制了它的电化学性能和商业化应用。碳包覆一直以来都被认为是提高材料电子电导率的一种经济可行的改性方法,然而普通碳包覆仅能在单个活性材料表面形成电子扩散路径,并不能提供连续的电子传输网络,因此单一碳包覆在大幅改善材料电子电导率方面具有一定的局限性。

基于这一问题,武汉理工大学-哈佛大学纳米联合重点实验室麦立强教授课题组通过在磷酸钒锂颗粒之间构筑三维连续碳网大幅提升了材料的高倍率、高低温和循环性能。该方法不仅实现了单个颗粒表面的纳米级碳包覆,颗粒之间微米级的碳网更是提供了锂离子和电子的双重传输通道,最终减少了材料极化和电池内阻。该电极材料在30 C的电流密度下,首次放电容量为121 mAh/g,为理论容量的91%。在20 C电流密度下循环4000次后,容量保持率达77%。60°C 高温条件下,材料在20 C 电流密度下的放电容量为130 mAh/g,基本接近理论容量。而在-20°C低温条件下,该材料在5 C电流密度下的放电容量仍然可达106 mAh/g。测试结果表明,该材料具有优异的倍率性能、循环稳定性和高低温性能,具有广泛的应用前景。相关工作发表在Adv. Energy Mater.并被选为当期Back Cover。

相关工作得到了国家重大科学研究计划、中国国际科技合作专项、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金的资助。