在高性能锂电池中合成的中空和纳米线型LiFePO4作为阴极的应用精要.doc

在高性能锂电池中合成的中空和纳米线型LiFePO4作为阴极的应用 报告的高性能锂电池是应用KIT-6和SBA-15硬模板法合成中空的和纳米线型LiFePO4作阴极。这种具有Pm66对称的二维六角形SBA-15用于含有六方对称排列的平行圆柱孔的模板，它将纳米线组织形成平行束。另外一方面，具有Ia3d对称的空心介孔形态的KIT-6二氧化硅模板应用在产生介孔空心结构。将模板浸渍到溶液中或是在模板上涂上含有LiFePO4前驱体的溶液，立即在700℃快烧转移二氧化硅模板。中空和纳米线LiFePO4作阴极在电化学循环中都展示了优异的倍率性能，甚至超过10C时，表现出89％对最初电容量的容量保持率。在它们之间，在15C下空心阴极的倍率性能大于同等条件下的纳米线，这6％的提高原因在于更高的BET表面区。 介绍 最近，广泛的研究旨在提高锂电池电极材料的高速率特性。例如报告过TiO2、Li4Ti5O12和LiFePO4，对这些纳米结构的多种处理方法来提高电化学性能。在1C的速率下纳米结构的TiO2明显的提高了容量保持率。然而锂的过渡金属氧化物（LiCoO2，LiNi1-xMxO2）限制了纳米结构。在本实验的LiFePO4，由于其低的固有的电子传导性，其最大比容量利用率的研究已经被报道。Chung et al首次报告了掺杂LiFePO4的纳米级材料能够显著提高比电容。它们在室温下将电极在放电量为20C时达到110mA?h/g。接着这个工作，他主要是应用炭或导电聚合物涂层或是通过控制其粒径来提高LiFePO4的容量。Huang et al报告了间苯二酚前驱体组成的碳凝胶和LiFePO4的化合物在0.5C时达到150mA?h/g和在5C时达到110mA?h/g。Xie et al报告了在5C时LiFePO4-PAS化合物在3-5mg/cm2的负载率下最初放电量达到150mA?h/g和110mA?h/g。最近，对磷酸铁锂的研究被报告，如低温Fe3+还原机理，碳纳米管涂层的增强倍率性能或者线孔隙的形成和高分辨率的电子能量损失光谱 尽管很多研究集中于用硬模板法合成金属氧化派生物，合成纳米线和LiFePO4空心阴极应用在高性能锂电池还没有在公开文献中出现，在此次研究中应用KIT-6和SBA-15硬模板法合成中空的和纳米线型的LiFePO4阴极在高性能锂电池领域，在移除模板后，能够保持形态。即使在15C时，中空的和纳米线型的LiFePO4阴极也表现出高的容量保持，甚至超过初始容量的85%。 2.实验部分 根据Choi的工作和其它，使用Pluronic P123（EO20-PO70-EO20，MW=5800，Aldrich）作为结构导向剂在水溶液中制备KIT-6和SBA-15。使用TEOS（Aldrich，98％）作为二氧化硅前体。被烘干至500℃的SiO2粉末作为合成纳米线和中空LiFePO4的模板。对于纳米线样品的典型合成，将12.8g Fe（NO 3）3·9H 2 O（Junsei，99％），3.23g LiC 2 H 3 O 2·2H 2 O（Aldrich，99.9％）和3.10g的H 3 PO 4（Aldrich，99％）溶解在20mL的乙醇中。这个透明的解决方案使用湿浸渍技术掺入1.7g六方形SBA-15二氧化硅粉末中。将浸渍的样品在120℃的烘箱中干燥后，使用与上述相同的方法再次浸渍粉末。该LiFePO4前体/ SiO2复合材料在300℃下退火3小时，通过用1mol/L NaOH溶液冲洗从复合物中除去二氧化硅模板。除去SiO 2模板后，用水冲洗LiFePO 4几次，并在100℃下干燥过夜。最后，加热至700℃在混合气体（90％N 2和10％H 2）流动5小时。对于中空LiFePO 4的制备，除了使用KIT-6模板和在40℃下加热透明溶液后的粘稠溶液之外，使用与上述相同的实验方法。将该粘性透明溶液涂覆到1.7g六方晶KIT-6二氧化硅粉末上，并使用Cho和他的同事报道的涂布方法在120℃下干燥。剩余的过程与用于获得纳米线LiFePO4的描述相同。使用CHNS元素分析仪（Shimadzu）获得样品碳含量的定量信息，并且其纳米线和空心样品的重量百分比分别估计为0.41和0.43。 在NMP溶剂中以80:10:10的重量比混合阴极粉末，聚亚乙烯基粘合剂和Super P炭黑来构造阴极电极。将混合浆料浇铸到Al箔上，通过刮刀涂布机控制浆料厚度。在130℃下蒸发溶剂20分钟后，使用辊压机压制电极。将电极组装成具有Li电极和具有1mol/L LiPF 6盐（Cheil Industries，Korea）的碳酸乙酯/碳酸二甲酯（EC / DMC）（1:1体积％）的硬币型半电池（2016R-型）在Ar填充的手套箱中。然后通过FE-TEM（JEO