基本信息
- 项目名称：
- 反蛋白石多孔状结构LiFePO4的制备与性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 新型正极材料LiFePO4由于具有工作电压高、重量轻、比能量大、自放电小、环境污染小等优点，成为目前最受欢迎的绿色二次电池之一。本论文提出以聚苯乙烯（PS）微球为模板制备反蛋白石结构多孔状结构LiFePO4正极材料并对其进行了系统研究，研究结果表明，通过改变材料的界面特性和界面间距，以尺寸效应来提高了LiFePO4正极材料的高倍率充放电性能和循环容量、抑制循环容量衰减。
- 详细介绍：
- 20世纪50年代以后，随着煤炭、石油、天然气三大主要能源的逐渐减少和日益严重的环境问题，高效、环保、节能型能源的开发和应用显得越来越重要。新型正极材料LiFePO4由于具有工作电压高、重量轻、比能量大、自放电小、环境污染小等优点，正逐步加速替代铅酸、镍镉、镍氢等材料，成为目前最受欢迎的绿色二次电池之一。本论文提出以聚苯乙烯（PS）微球为模板制备反蛋白石结构多孔状结构LiFePO4正极材料并对其进行系统研究，通过改变材料的界面特性和界面间距，以尺寸效应来提高LiFePO4正极材料的高倍率充放电性能和循环容量、抑制循环容量衰减。研究结果表明，在750°C温度下，前驱体浓度1mol/L，与PS微球体积比为1.0：1.0时，烧结产物电化学性能较好，在0.1C倍率下，容量高达151 mAh/g，达到理论值的88.9％。在5.0C高倍率充放电的情况下，容量仍然在120mAh/g以上。该研究结果不但对正极材料中的电化学行为、锂离子迁移过程以及纳米介孔界面态行为等理论研究具有重要的学术价值，而且可以在商业生产中得到应用，具有现实的市场价值。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- LiFePO4具有廉价、无毒、环境相容性很好、容量较高和稳定性很好等特点，因此制备出电化学性能良好的LiFePO4将产生巨大的研究与商业价值。本论文中以聚苯乙烯（PS）微球为模板制备反蛋白石多孔状结构LiFePO4进行系统研究，通过改变材料的界面特性和界面间距，以尺寸效应来提高LiFePO4的高倍率充放电性能和循环容量、抑制循环容量衰减，探讨反蛋白石多孔状结构LiFePO4电化学性能的增强机理。
科学性、先进性及独特之处
- 采用溶胶—凝胶法制备前躯体，以聚苯乙烯（PS）微球为模板制备反蛋白石多孔状结构锂离子电池正极材料LiFePO4，在此基础上进行系统研究，通过改变材料的界面特性和界面间距，以尺寸效应来提高LiFePO4正极材料的高倍率充放电性能和循环容量、抑制循环容量衰减。
应用价值和现实意义
- 研究结果不但对正极材料中的电化学行为、锂离子迁移过程以及纳米介孔界面态行为等理论研究具有重要的学术价值，而且可以大规模应用于商业生产中，有效节约能源，促进社会的可持续发展，具有很高的市场价值。
学术论文摘要
- 提出以PS微球为模板制备反蛋白石多孔状结构锂离子电池正极材料LiFePO4并进行系统研究，改变材料的界面特性和界面间距，以尺寸效应来提高LiFePO4正极材料的高倍率充放电性能和循环容量、抑制循环容量衰减，探讨反蛋白石多孔状结构对电学性能的增强机制。研究结果表明，在750°C温度下，前驱体浓度1mol/L，与聚苯乙烯（PS）微球体积比为1.0：1.0时，烧结产物电化学性能较好，在0.1C倍率下，容量高达151 mAh/g，达到理论值的88.9％。在5.0C高倍率充放电的情况下，容量仍然在120 mAh/g以上。该研究结果不但对正极材料中的电化学行为、锂离子迁移过程以及纳米介孔界面态行为等理论研究具有重要的学术价值，而且可以在商业生产中得到应用，具有很高的市场价值。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] Hsu KF , Tsay S Y, Hwang B J . Materials Chemistry , 2004 , 14 : 2690 —2695. [2] Sides C R, Croce F, Young V Y, et al. A high-rate, nanocomposite LiFePO4/carbon cathode[J]. Electrochem. and Solid State Let., 2005, 8(9): A484-A487. [3] H.T.Chung, Soo-Kwan Jang. Effects of nano-carbonwebs on the electrochemical properties in LiFePO4/C composite[J]. Solid State Commun, 2004, 131(8)：549. [4] 吕正中，周震涛. LiFePO4/C复合正极材料的结构与性能[J]. 电池，2003，33（5）：267-271. [5] 杨蓉，赵铭姝，等. 锂离子电池正极材料LiFePO4的电化学性能改进[J]. 化工学报，2006，57(3)：674-675. [6] K.S.Park, J.T.Son, H.T.Chung, et al. Surface modification by silver coating for improving electrochemical properties of LiFePO4[J]. Solid State Commun, 2004, 129(5)：311. [7] Amine K, Liu J, Belharouak I. High-temperature storage and cycling of C-LiFePO4/graphite Li-ion cells[J]. Electrochem. Commun., 2005, 7(7): 669-673. [8] 张宝，罗文斌，等. LiFePO4/C锂离子电池正极材料的电化学性能[J]. 中国有色金属学报，2005，15(2)：300-301.
同类课题研究水平概述
- 目前,锂离子电池正极材料的合成方法以固相法为主,工艺简单,适宜于工业化生产。除此之外,溶胶凝胶法、气相沉积法 、共沉淀法 、水热法 、激光脉冲沉积法、静电喷涂法 、微波合成法、放电等离子烧结法以及机械化学法等均用于LiFePO4 正极材料的制备。其中,溶胶凝胶法因其显著的优点得到广泛采用。 在LiFePO4正极材料在实用化过程中也存在一些问题，低电子电导率和Li+扩散系数将导致材料在充放电循环过程中出现电化学惰性区域，并随着循环次数的增加，这种区域不断粗化，使得材料的循环容量逐渐降低。寻找提高LiFePO4正极材料电子电导率和Li+扩散系数的改性方法一直是其研究的目标。已有的措施主要包括四个方面：1、导电剂表面包覆或直接加入制成复合材料（导电剂包括导电碳及有机碳氢化合物、金属和导电高分子）；2、高价阳离子掺杂改性；3、过渡金属(Mn，Co，Ni)部分取代Fe形成固溶体；4、工艺优化。以上改性措施一定程度上提高了LiFePO4的循环容量和循环稳定性，提高了LiFePO4的高倍率充放电性能。 于风、张敬杰等人利用喷雾干燥-碳热还原法制备了多孔结构的LiFePO4/C球形粉体材料，且在室温下，C/3首次放电比容量可达119mAh/g,显示出了多孔结构LiFePO4/C优异的电化学性能。C. R. Sides等以聚碳酸酯为模板，采用溶胶-凝胶法制备出LiFePO4纳米线，用这种纳米线组成的粉体制备的电极材料具有优异的快速充放电行为，在5C的高倍率下进行充放电，容量能达到128mAh/g。在前人的理论工作基础上提出以PS微球为模板，采用溶胶凝胶法制备反蛋白石结构多孔状LiFePO4正极材料并进行系统的研究。
