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富锂三元正极与石墨烯复合会产生怎样的嬗变?

中国粉体网讯 自2001年问世以来,富锂三元正极材料便以其超高的放电比容量和大于4.5V的首次充电电压引人注目。尽管具有很高的首圈充电比容量,然而其首圈库伦效率只有60%-80%,第二圈充放电时,其充电比容量和库伦效率就会恢复正常,即具有较大的不可逆充电比容量。石墨烯具有高导电率、大比表面积、特殊的二维网状结构等特性,可用来包覆富锂材料,缓解材料极化,提高富锂材料导电率。



富锂层状正极材料首圈充放电曲线图


为探究富锂三元正极与石墨烯复合后的材料性能,山东理工大学的王发刚教授等人通过采用水热法制备石墨烯/富锂三元正极复合材料,并通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、充放电测试仪等方法对其形貌和电化学性能进行研究,并对比了石墨烯包覆前后富锂三元正极的性能变化。


研究表明,石墨烯包覆量为2%(质量分数)时,包覆效果较好,石墨烯/富锂三元正极复合材料首次库仑效率为89.6%,比富锂三元正极材料提高17.16%,放电比容量为226.41mAh/g,比原材料提高了21.38mAh/g;以0.5C循环100次后石墨烯/富锂三元正极复合材料放电比容量可保持在154m Ah/g,容量保持率为88%,比富锂三元正极材料提高5.3%;石墨烯/富锂三元正极复合材料阻抗为75Ω,比富锂三元正极材料阻抗低50Ω。


试验结果


XRD分析



样品A及样品WA1-WA4的XRD谱图


SEM分析



不同倍率下样品A及样品WA1-WA4的SEM图


电化学性能研究



正极材料样品首次充放电比容量及库伦效率



在0.05C下5种正极材料样品首次充放电曲线图



不同倍率下正极材料样品平均放电比容量曲线图



0.5C下正极材料样品的放电比容量及容量保持率



0.5C下循环100次正极材料样品的放电比容量曲线图


交流阻抗测试



正极材料样品在放电电压3.8V、0.5C下循环

20次(a)、循环100次(b)的交流阻抗谱图


综合材料结构、形貌与电化学性能分析结果可知,石墨烯包覆提高了富锂三元正极材料电导率,降低了材料电极极化程度,使得材料团聚度有所下降,因而石墨烯/富锂三元正极复合材料的比容量和电压平台都有所提高,且循环保持率较好。


石墨烯包覆富锂三元正极材料的机理:在水热还原氧化石墨烯时,富锂三元正极材料掺入其中,阻碍了石墨烯的团聚,最终形成以石墨烯为导电网络的复合材料。由于富锂三元正极材料属于过渡金属氧化物和锂的化合物,电子导电性很差,因此石墨烯的包覆能够提高其导电率,降低材料极化,使材料放电容量得到提升,同时表面的石墨烯也有利于材料抵抗电解液侵蚀,提高了材料循环性能。


参考文献:

张俊亭,王发刚;石墨烯/富锂三元正极复合材料的制备及电化学性能研究

张和,锂离子电池富锂三元正极材料的制备及研究

(中国粉体网编辑整理/江岸)

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(来源:中国粉体网)
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