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        LiFe0.9Mn0.1PO4/C的合成及其電化學性能的研究

        2016-05-14 07:03:28韓欣湯宏偉司艷麗
        科技創(chuàng)新導報 2016年7期

        韓欣 湯宏偉 司艷麗

        DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.059

        摘 要:采用碳凝膠輔助低溫液相以LiOH、MnSO4、FeSO4·7H2O和H3PO4為原料合成LiFe0.9Mn0.1PO4,后經高溫覆碳處理得到LiFe0.9Mn0.1PO4/C材料。電化學測試表明,該材料在0.2 C時放電比容量可達到152.4 mAh·g-1,質量比能量達到547.2 Wh/kg。

        關鍵詞:低溫合成 液相法 碳凝膠 電化學性能

        中圖分類號:T 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)03(a)-0059-03

        自從1997年Padhi等[1]首次報道了LiFePO4可用作鋰離子電池正極材料以來,該材料就因具備優(yōu)異的充放電循環(huán)性能、低廉的原材料價格、良好的熱穩(wěn)定性能、較高的安全性以及對環(huán)境友好等優(yōu)點,迅速成為近年來鋰離子電池正極材的研究熱點,也是公認的最理想的鋰離子動力電池的首選材料[2-5]。該文將葡萄糖加入含有LiOH的二甲亞砜溶液中通過加熱回流實現糖的預碳化,并以此作為Li源,在水/二甲亞砜混合溶液中與MnSO4、FeSO4和H3PO4反應制備出LiFe0.9Mn0.1PO4,將其與一定量的葡萄糖混合高溫快速熱處理后得到LiFe0.9Mn0.1PO4/C。該方法反應裝置簡單,所用原材料廉價易得,不需要高溫高壓即可制得LiFe0.9Mn0.1PO4/C。

        1 實驗

        (1)LiFe0.9Mn0.1PO4/C的制備。以LiOH、MnSO4、FeSO4·7H2O和H3PO4為原料,在二甲亞砜/水溶液反應介質中常壓回流6 h,可以在108 ℃的較低溫度下,在液相中直接制備出LiFe0.9Mn0.1PO4。將自制LiFe0.9Mn0.1PO4與一定量的葡萄糖混合,研磨均勻后放進舟形氧化鋁坩堝內,置于真空管式爐內在5%H2~95%N2氣氛中600 ℃燒結3 h,待溫度降至室溫,然后置于真空干燥箱內在120 ℃條件下干燥3 h后得到黑色粉末樣品LiFe0.9Mn0.1PO4/C。

        (2)樣品的結構和形貌表征。采用D-8型X射線衍射儀(BRUKER)對LiFe0.9Mn0.1PO4及LiFe0.9Mn0.1PO4/C進行結構分析,采集條件為:Cu靶輻射,石墨單色器,工作電壓35 kV,工作電流30 mA,掃描范圍為10°~80°。采用掃描電子顯微鏡(日本S4800)和透射電鏡(JEM 2100)對LiFe0.9Mn0.1PO4及LiFe0.9Mn0.1PO4/C進行形貌表征。

        (3)樣品的電化學性能測試。將活性物質做成正極片,在充滿氬氣的手套箱(ZKL,南京大學儀器廠)內進行電池的組裝,以金屬鋰片做負極,Celgard2400聚丙烯為隔膜,1 mol/L的LiPF6/DEC+DMC+EC(體積比1∶1∶1)為電解液,組裝成CR2025型扣式模擬電池。使用LAND電池測試系統(tǒng)(CT2001,武漢金諾電子有限公司)在恒流的條件下,對樣品進行充放電測試,起止電壓范圍為2.3~4.2 V。用電化學工作站(CHI660D,上海辰華)對樣品進行循環(huán)伏安(CV)。

        2 結果與討論

        (1)樣品的晶體結構分析。圖1中分別是LiFe0.9Mn0.1PO4及LiFe0.9Mn0.1PO4/C的XRD圖譜,從圖中我們可以發(fā)現,LiFe0.9Mn0.1PO4和LiFe0.9Mn0.1PO4/C有完全相同的衍射峰,并與LiFePO4標準圖譜(PDF#40-1499)完全一致,屬于正交晶系Pnma(62),橄欖石結構。

        (2)樣品的形貌分析。圖2中1)和2)分別是LiFe0.9Mn0.1PO4及LiFe0.9Mn0.1PO4/C的掃描電鏡圖,由圖可見,LiFe0.9Mn0.1PO4顆粒呈梭形,顆粒分散均勻,無明顯團聚,進一步放大后可以發(fā)現這些梭形的LiFe0.9Mn0.1PO4顆粒是有一根根的細長的棒組裝而成。

        (3)樣品的電化學性能測試與分析。圖3中1)是LiFe0.9Mn0.1PO4/C在不同倍率下放電曲線。由圖可見,LiFe0.9Mn0.1PO4/C在0.2C時放電比容量為152.4 mAh·g-1,在1 C時放電比容量為139.6 mAh·g-1,在5 C時放電比容量為106 mAh·g-1。圖3中2)是LiFe0.9Mn0.1PO4/C依次從0.2 C、1 C、5 C、各循環(huán)10次后回到0.2 C下的循環(huán)性能,在最后10個循環(huán)中,LiFe0.9Mn0.1PO4/C放電比容量仍可以達到151.8 mAh·g-1,容量恢復率達到99.6%。

        圖4是LiFe0.9Mn0.1PO4/C在室溫條件下和2.3~4.2 V的電壓范圍內,在0.5 mV/s對樣品進行的循環(huán)伏安測試。由圖可見,樣品LiFe0.9Mn0.1PO4/C在約3.65 V/3.25 V和4.0 V/3.85 V出現了兩對明顯的氧化峰/還原峰,Epa1/Epc1對應著充放電時Fe3+/Fe2+的氧化還原反應,Epa2/Epc2對應著充放電時Mn3+/Mn2+的氧化還原反應。經過50次循環(huán)后,LiFe0.9Mn0.1PO4/C電極的循環(huán)伏安曲線并沒有發(fā)生明顯的變化,這說明LiFe0.9Mn0.1PO4/C電極具有優(yōu)異的可逆性和穩(wěn)定性。

        3 結論

        以LiOH、MnSO4、FeSO4·7H2O和H3PO4為原料,在二甲亞砜/水溶液反應介質中常壓回流6 h,可以在108 ℃的較低溫度下,在液相中直接制備出LiFe0.9Mn0.1PO4。將液相合成的LiFe0.9Mn0.1PO4與一定量的葡萄糖混合,在5%H2~95% N2氣氛中600 ℃燒結3 h可得到LiFe0.9Mn0.1PO4/C材料,其質量比能量可以達到547.2 Wh/kg。

        參考文獻

        [1] A.K.Padhi,K.S.Nanjundaswasy,J.B.Goodenough.Phosho-olivines as positive electrode materials for rechargeable lithium batteries[J].Journal of Electrochem.Soc.,1997, 144(144):1188-1194.

        [2] L.X.Yuan.Development and challenges of LiFePO4 cathode material for lithium-ion batteries[J].Energy Environ.Sci.,2011,4(2):269-284.

        [3] W.B.Luo.Self-assembled graphene and LiFePO4 composites with superior high rate capability for lithium ion batteries[J].Journal of Mater.Chem.a,2014,2(14):4927-4931.

        [4] TK Fey,HJ Tu,KP Huang,et al.Particle size effects of carbon sources on electrochemical properties of LiFePO4/C composites[J].Journal of Solid State Electrochem,2012,16(5):1857-1862.

        [5] P.Trogadas,T.F.Fuller,P.Strasser.Carbon as catalyst and support for electrochemical energy conversion[J].Carbon,2014,75(10):5-42.

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