四川大学によるグラフェン被覆リチウム電池材料の開発

リン酸鉄リチウムは、リチウムイオン電池に一般的に使用されている正極材料であり、熱安定性と安全性に優れているため、パワー電池メーカーに好まれています。

関連する安全性試験は、既存の技術的条件下では、リン酸鉄リチウム材料を使用したリチウムイオン電池のみがすべての安全性試験に合格でき、鍼治療および圧縮実験で発火または爆発しないことを示しています。これは、電気自動車、電気バス、およびバッテリーの安全要件が非常に高いその他の領域にとって非常に重要です。

ただし、リン酸鉄リチウム材料にもこの固有の欠陥があります。主な理由は、動作電圧が低く、約3.4 Vであり、導電率が低いことです。これにより、材料のエネルギー密度がコバルト酸リチウムや他の材料よりもはるかに低くなるだけでなく、バッテリーにも影響を及ぼします。急速充電と放電性能。

リン酸鉄リチウム材料の動作電圧を上げるために、リン酸鉄リチウム材料のFe元素をMn元素に置き換えようとしますが、関連する実験と計算により、LiMnPO4の導電率は非常に低く、電子伝導率はLiFePO4よりはるかに低いことが示されています。その結果、材料の倍増性能は非常に悪く、排出することはほとんど不可能です。

その結果、人々は2位に後退し、代わりにリン酸鉄リチウムとリン酸マンガンリチウムの固溶体材料であるLiMn1-xFexPO4を研究しました。一方では、この材料はLiFePO4の「比較的良好な」導電性を継承し、LiMnPO4のより高い動作電圧も継承します。

リン酸フェロマンガンリチウム材料の導電性を改善するために、人々はカバーするさまざまな材料を試しましたが、その中で最も成功し、最も成熟したのはグラファイトコーティング法ですが、グラファイトはの表面に連続的な導電性ネットワークを形成できないためです。したがって、リチウムフェロマンガンホスフェート材料の特性に対するグラファイトの改善は非常に限られています。

グラフェン材料は、単層または低層のグラファイト原子で構成されており、優れた導電性を備えています。それらは現在、既知の材料の中で最も導電性の高い材料です。グラフェンの外観は人々に追加の選択肢を与えます。グラフェンの優れた導電性、それはリチウム鉄リン酸塩材料の電子伝導性を大幅に改善し、材料の倍増性能を向上させることができます。

現在、リン酸鉄リチウムをグラフェンでコーティングするには、主に逆方向法と順方向法の2つの方法があります。逆方向の方法は、合成されたリン酸鉄リチウム材料粒子の表面上で機械的混合および自己組織化によって材料粒子の表面上にグラフェン層の層を形成することである。

フォワード法は、Fe有機物の熱分解によって熱分解炭素を形成するか、接触炭化によって材料粒子の表面にグラフェン層の層を形成するか、または前駆体FePO4を酸化グラフェン溶液中で直接合成して酸化グラフェンに付着させることです。 。シート上にリン酸鉄リチウム材料が合成されています。

かんらん石材料には一次元のLi +拡散チャネルしかないため、材料の電子伝導性とイオン伝導性を同時に改善するために、リン酸鉄リチウムの一次粒子表面に数百ナノメートルのグラフェンの層を覆うことをお勧めします。目的。

最近、四川大学のWeiXiらは、フォワード法によりリン酸フェロマンガンリチウムでコーティングされたグラフェンを合成しました。彼らはまず、共沈法により酸化グラフェン溶液中でグラフェン被覆ナノメートルLi3PO4材料を合成し、次に溶媒加熱法によりエチレングリコール溶液中のMn2 +およびFe2 +と前駆体を反応させてLiMn0.5 Fe 0.5PO4材料を得た。次に、酸化グラフェンは還元されてグラフェンになります。この材料は、前駆体Li3PO3の形態を継承しています。その粒子径はわずか約20nmであり、Li +の拡散距離を大幅に短縮します。グラフェンネットワーク構造は、材料に良好な導電性を与えます。パフォーマンス。

電気化学的試験により、材料には、それぞれFe2 + / Fe3 +およびMn2 + / Mn3 +に対応する、それぞれ3.4-3 .6Vおよび4.0-4.1Vの2つの電圧プラットフォームがあることがわかりました。

容量テストでは、材料を再度カーボンコーティングした後、166mAh / gに達する可能性があることがわかりました。材料の優れた導電性により、材料は0.1 C、0.2 C、0.5 C、1C、3C、5Cで優れた乗算器性能を発揮します。10Cと20Cの倍数で、材料の比容量は166,156,136,126,115,107,101,90mAhに達しました。それぞれ/ gであり、材料のエネルギー密度も612Wh / kgに達し、コバルト酸リチウムよりも高い。 1℃で500サイクルの容量保持率92％で、優れたリサイクル性能を発揮します。

この方法で合成されたグラフェン被覆ナノメートルLiMn0.5 Fe 0.5 PO4材料は、材料の導電性の低下とLi +拡散の問題の問題を克服し、材料の倍増性能を改善し、材料のエネルギー密度を改善しました。現在、この方法の最大の問題は、グラフェンのコストが高すぎることであり、これにより材料全体のコストが増加します。

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