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颗粒表面重构制备超过理论比容量的LiFePO4

颗粒表面重构制备超过理论比容量的LiFePO4

纳米晶体具有出色的动力学性质,作为潜在的能量储存电极材料时广受关注。然而,纳米微晶大的比表面积会促进化学催化和产生高化学活性,这会影响电池体系中电解液的稳定性,进而影响电池稳定性和有效电极容量。另外,纳米尺寸也会降低电池的能量密度。最近,北大深圳研究院潘锋教授课题组提出了一种表面重建的策略,可在纳米LiFePO4(LFP)颗粒表面镶嵌超过LFP理论容量的锂,从而缓解LiFePO4(LFP)纳米晶体的技术缺点,提高电池的容量和倍率性能。

颗粒表面重构制备超过理论比容量的LiFePO4

图1. 额外锂的插层点,(A)LFP的侧面和俯视图; (B)LFP复合材料的侧视图和俯视图。

 

作者通过反相法合成纳米LFP颗粒,然后通过不同的方法与葡萄糖溶液混合,制备出有额外嵌锂位(LFP-E)和常规(LFP-N)混合物。通过观察发现LFP-E颗粒表面有特殊的表面重建,含有致密的碳层和大含量的C-O基团。平均粒径分别为83和42nm的LFP-E颗粒样品的容量为186和207 mAh/g(超过理论值170 mAh/g分别为9.4%和21.8%)。此外,基于这种LFP纳米晶的复合电极显示出高循环稳定性和高倍率性能。在10℃下循环1000次后,容量的损失仅为0.3-1.1%,而在50C倍率下,电极在充放电期间仍可分别输出114mAh/g和127mAh/g的容量。

颗粒表面重构制备超过理论比容量的LiFePO4

图2. 颗粒尺寸为83nm LFP-N(A)和LFP-E(B)的TEM图像。

颗粒表面重构制备超过理论比容量的LiFePO4

图3.(A-B)LFP(N =正常,E =过量)复合样品的充放电曲线。(C)各种LFP复合样品的倍率性能。(D)LFP复合样品的XPS C 1s光谱。

 

作者通过实验表征和计算表明,表面额外的锂储存主要归因于Fe表面C-O-Fe键的电荷钝化,这可以通过补偿表面Fe截断对称性来增强表面锂的结合能,从而在重建表面上创造出锂离子的两种额外位置。该发现通过充分利用纳米尺寸颗粒的大表面积来实现LIB的过剩容量,可用于设计高能量密度的LIB。

 

Yandong Duan, Bingkai Zhang, Jiaxin Zheng, Jiangtao Hu, Jianguo Wen, Dean J. Miller, Pengfei Yan, Tongchao Liu, Hua Guo, Wen Li,Xiaohe Song, Zengqing Zhuo, Chaokun Liu, Hanting Tang, Rui Tan, Zonghai Chen,Yang Ren, Yuan Lin, Wanli Yang, Chong-Min Wang, Lin-Wang Wang, Jun Lu, Khalil Amine, and Feng Pan; Excess Li-Ion Storage on Reconstructed Surfaces of Nanocrystals To Boost Battery Performance; NANO LETTERS (2017); DOI:10.1021 /acs.nanolett.7b02315


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