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【LiFePO4专题】核壳结构LiFePO4/C纳米复合物超快储锂

【LiFePO4专题】核壳结构LiFePO4/C纳米复合物超快储锂

LiFePO4因化学性能稳定,储量丰富,价格低廉和环境友好等优点备受科学家关注,是目前商业化的锂离子电池正极材料之一。但其缓慢的锂离子扩散速率和差的导电性严重抑制锂离子电池的充放电速率和电化学性能。减少颗粒大小以及制备碳包覆纳米复合材料是解决上述问题的有效途径。然而,如何制备结晶度高,纳米尺寸以及表面均匀地覆盖高导电性碳的LiFePO4/C复合物是一个亟待解决的问题。


【LiFePO4专题】核壳结构LiFePO4/C纳米复合物超快储锂

图1 LiFePO4/C纳米复合物的合成过程示意图。


近期,吉林大学张宗弢教授和北京大学深圳研究生院潘锋教授课题组等人基于原位聚合限制法合成出核壳结构的LiFePO4/C纳米复合物(PrepLFP),作为锂离子电池正极材料,表现出超快充放电性能。LiFePO4/C纳米复合物是由单个核壳结构的LiFePO4/C颗粒构成的,其中LiFePO4核直径为20–50nm,碳壳厚度为1.6–2.0 nm,LiFePO4/C颗粒间由碳包覆在一起。此成果发表在国际期刊Nano Energy上。


【LiFePO4专题】核壳结构LiFePO4/C纳米复合物超快储锂

图2 (A)在电流密度0.5 C- 150 C下,PrepLFP的充放电曲线图;(B)不同电流密度下,PrepLFP的倍率性能图;(C)PrepLFP,PrevLFP,CommLFP和几种用于水性超级电容器电极材料的Ragone图;(D)在电流密度10 C下,PrepLFP的循环性能图。


作为锂离子电池正极,LiFePO4/C表现出优越电化学性能。在电流密度0.5 C下,首次放电比容量为156.2 mAh/g,高于理论比容量。在电流密度10C、30C、60C、100C和150C下,比容量分别为145.7、134.9、123.0、109.6、95.4 mAh/g;当电流密度返至60 C, 10 C和0.5 C时,比容量分别为123.5、145.6、156.4 mAh/g,这体现了良好的倍率性能。在电流密度10 C下,循环1000次,容量仅衰减2%,体现了优越的循环稳定性。

从拓扑的角度分析,PrepLFP突出的电池性能主要归功于Li-FePO4/ PFA中间体独特的无机—有机杂交结构。此结构由完全密封的3D网络状PFA聚合物“壳”与无定形的无机骨架“核”(Li,Fe,P和O在其中均匀分布)组成,不仅能够极大地降低了LiFePO4的杂质和晶格缺陷,而且能够建立3D电子传输网络。最后,此成果为以后设计新的LiFePO4/C电极材料提供了新的思路。


参考文献:

Hongbin Wang, Runwei Wang, Lijia Liu, ShangJiang, Ling Ni, Xiaofei Bie, Xu Yang, Jiangtao Hu, Ziqi Wang, Haibiao Chen,Liangkui Zhu, Daliang Zhang, Yingjin Wei, Zongtao Zhang, Shilun Qiu, Feng Pan. In-situself-polymerization restriction to form core-shell LiFePO4/C nanocomposite withultrafast rate capability for high-power Li-ion batteries, Nano Energy 39(2017) 346–354.

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