《鎂等金屬離子摻雜與最佳化碳源包覆LiFePO4的作用及機理研究》是依託湖南大學，由韓紹昌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鎂等金屬離子摻雜與最佳化碳源包覆LiFePO4的作用及機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：韓紹昌
- 依託單位：湖南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
選擇金屬元素鎂（Mg2+）、鉻（Cr3+）、鈦（Ti4+）等作為摻雜離子對LiFePO4進行摻雜，採用固相法製備在鋰位或鐵位摻雜的磷酸鐵鋰，通過ICP、XRD、SEM、 TEM等方法分析測試材料非化學計量缺陷及摻雜離子對晶體結構的影響,探討改善離子擴散係數及電子電導率的機制。以酚醛樹脂，環氧樹脂，聚乙烯醇等為碳源合成LiFePO4/C複合材料，利用HRTEM、Roman等手段研究碳源、添加量、包覆厚度與均勻度對材料電化學性能的影響，最佳化碳源及其碳含量，在最佳化摻雜和包覆的基礎上，製備摻雜的LiFePO4/C複合材料，研究高倍率性能及溫度對材料容量的影響，為動力型電源正極材料要求的高容量高功率性能打下理論和技術基礎。
結題摘要
鋰離子電池在攜帶型電器中套用廣泛，在電動汽車方面有著光明的前景。LiFePO4最有可能取代LiCoO2和LiMn2O4，但低電導率限制了它的套用。採用摻雜金屬離子和包覆碳均可提高電導率，而摻雜離子的價態存在爭議，包覆碳源的內在原因還不甚明了。本項目研究了摻雜Mg2+、Cr3+和Ti4+等對LiFePO4結構和性能的影響，考察了聚乙烯醇、酚醛樹脂和環氧樹脂等對LiFePO4電導率和性能的改善，研究了最佳化摻雜離子和包覆碳源所得LiFe0.96Ti0.02PO4/C (FTC-2)的電化學性能。主要結果如下：採用半徑小於Fe2+的Mg2+、Cr3+和Ti4+摻雜後，LiFePO4晶體收縮、晶胞參數變小。摻雜比為0.03、0.02和0.02時所得FM-3、FC-2和FT-2的電化學性能最佳；其中FT-2的倍率性能最優，其在3C時的放電容量達83.1mAh g-1，大於前兩者的76.7mAh g-1和67.9mAh g-1。FT-2具有最大的交換電流密度0.76mA。摻雜後LiFePO4的電導率從2.46×10-9S cm-1增至10-4S cm-1。第一性原理計算表明摻雜降低了LiFePO4的能隙值，高價態Ti4+摻雜還能提高離子電導率、效果最好。三種碳源製得的LiFePO4/C具有典型的橄欖石結構。其中，包覆聚乙烯醇製得的C-1試樣顆粒較小、分布均勻。C-1的電化學性能也是最優的，其在1C時的放電容量為136.2mAh g-1，電位平台高達3.3V。由於其中的熱解碳具有最低的ID/IG值(1.20)，因而其具有最高的電導率5.76×10-2S cm-1。FTC-2的結晶良好、團聚現象不明顯。其電荷轉移電阻(48.6Ω)遠低於純相的300.6Ω。其氧化還原峰尖銳、對稱性好，兩峰之間電位差為0.29V、低於純相的0.37V，具有更好的可逆性。它具有良好的高低溫性能，0℃時的容量為30℃時的88.83%、高於純相的70.66%。30℃時FTC-2在1C的容量為0.1C的89.52%，5C的容量為85.2mAh g-1。研究查明了摻雜離子改善LiFePO4性能的原因，獲得包覆碳源提高電導率的影響機制，製備了性能優異的LiFePO4/C。為高倍率LiFePO4的市場套用奠定了良好的基礎，所得結果具有重要的理論意義和實際價值。
