纳米洋葱碳复合磷酸铁锂正极材料的制备与电化学性能

作     者：邓传迅 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张法明

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：纳米洋葱碳 磷酸铁锂 锂离子电池 导电剂 放电等离子烧结 

摘      要：纳米洋葱碳（carbon nano-onions,CNOs）材料是一种零维的碳材料,其制备方式趋于多样化,正逐步用于负极材料、超级电容器、润滑添加剂等方面,探索其更多的应用价值有助于其产业化应用。本学位论文将CNOs应用于锂离子电池正极材料磷酸铁锂（Li Fe PO,LFP）中,探究了固相法制备CNOs复合磷酸铁锂材料的工艺。放电等离子烧结技术（spark plasma sintering,SPS）是一种先进的直流脉冲电场辅助烧结技术,本论文使用SPS工艺对CNOs复合LFP/C（碳包覆磷酸铁锂）材料进行热处理,将CNOs与LFP/C的碳层复合,通过结构形貌表征、电化学测试分析,研究了CNOs添加与热处理对正极材料电化学性能的影响,最后探究了CNOs作为LFP/C导电剂的性能。主要的研究内容与结果如下:（1）研究了固相法合成LFP的最佳材料配比与烧结工艺,以及通过固相法所制备的CNOs复合LFP材料的性能。结果表明当原料摩尔比Li:Fe:P=0.95:1:1,在650℃保温1 h时,可以合成高晶相纯度的LFP。使用固相法制备CNOs复合LFP材料时,CNOs的添加可以阻碍LFP/C的生长和团聚,使所合成的LFP/C颗粒尺寸减小。CNOs由于分散性差而起到类似导电剂的作用,将2 C倍率下的LFP/C的放电比容量提高了38.3%。（2）研究了CNOs湿法化学混合对LFP/C微观结构形貌和电化学性能的影响。结果表明3 wt.%的CNOs的添加没有改变LFP/C的晶相结构,CNOs的加入使LFP/C的锂离子扩散系数1.23×10 cm s提高至1.54×10 cm s,电荷转移电阻降低了76%,2 C倍率放电容量提高了120%,CNOs的添加提高了LFP/C的倍率性能。（3）研究了SPS退火热处理对LFP/C微观结构形貌和电化学性能的影响。SPS退火热处理将LFP/C颗粒之间的表面碳层烧结在一起,并且与加入的CNOs形成了CNOs/碳包覆层复合导电网络,缩短了电荷的传输距离。SPS处理使LFP/C-CNOs的电荷转移电阻降低了33%,5 C倍率循环性能显著提高。石墨烯与LFP/C复合比纳米洋葱碳表现出更高的比容量,而CNOs对离子扩散速率的提升效果比石墨烯更好。LFP/C-石墨烯材料经过SPS处理后,转移电荷阻抗降低41.7%,材料的比容量和倍率性能提高,表明SPS处理对石墨烯添加的LFP/C材料同样有效。（4）将CNOs作为导电剂,按比例逐步替换导电炭黑SP,研究了CNOs/SP二元导电剂用于LFP/C正极的性能。结果表明0-5 wt.%含量的CNOs替换导电炭黑SP可以降低电荷转移阻抗,改善电池的循环寿命。0-10 wt.%的CNOs替换SP可以提高离子扩散速率。5%-7%的CNOs与5%-3%的SP搭配使用可以提高2 C及以上倍率的放电容量,CNOs与SP具有一定的协同效应,过多CNOs的加入会严重团聚而造成电极循环寿命降低。