LiFePO4/石墨烯有序插层复合物的纳米自组装合成与性能研究

Lithium ion transport is along the b-axis in LiFePO4. The one-dimensional diffusion mode is a great obstacle for lithium ion transportation which is the key point for high rate capacity of LiFePO4. According to the one-dimensional diffusion mode, a layer-by-layered structure is designed by using anistropical LiFePO4 nanoplate and graphene sheet. The layer-by-layered structure could significantly improve lithium ion diffusion rate and electron conductivity, since a three-dimensional diffusion is performed instead of the traditional one-dimensional diffusion mode. In order to get the layer-by-layered nanostructure, self-assembling technique is applied. The reaction processes should be systematically investigated to understand the reaction mechanism of self-assembling process and the formation mechanism of LiFePO4 crystals and successfully synthesize layer-by-layered nanocomposites with controlled morphology. Moreover, the electrochemical properties of the layer-by-layered nanocomposites should also be studied. This project would develop the self-assembled technique both theoretically and practically with the aim of controlled synthesis of self-assembled LiFePO4/graphene layer-by-layer nanocomposites. The successful synthesis of this nanostructure may provide a new strategy of improving the high rate properties of LiFePO4, indicating the potential applications of LiFePO4/graphene layer-by-layer nanocomposites as a cathode materials for lithium-ion battries.

磷酸铁锂材料中锂离子在一维通道中沿b轴方向移动，这种一维扩散方式对于锂离子的传输在结构上是一个限制，是影响磷酸铁锂材料倍率性能的重要原因。本项目针对磷酸铁锂材料的一维扩散本质，设计了一种新型的有序插层结构模型，将取向性的磷酸铁锂与石墨烯这种新型的碳材料应用于插层结构中，突破结构上的限制，使锂离子的扩散方式由传统的一维扩散转变为三维扩散，从而提高磷酸铁锂材料的锂离子扩散速率和电子导电率。将纳米自组装技术应用到这种特殊的纳米插层结构合成中。通过系统地研究反应过程,理解自组装过程的作用机理与磷酸铁锂晶体的成核生长机理，实现有序插层结构的可控合成，研究材料结构变化对电化学性能的影响。通过本项目的研究，将实现纳米自组装技术制备有序插层结构理论和方法上的突破，提出改善磷酸铁锂材料倍率性能的新途径，为新型磷酸铁锂插层结构在锂离子电池中的应用奠定基础。

磷酸铁锂正极材料具有原料成本低、环境友好、库仑效率高、平台电压平稳、循环性能优异、热稳定性好、安全性好等优点，成为目前广受关注的锂离子电池正极材料。经过十余年的研究，在材料的合成技术、改性技术、应用技术方面取得了实质性进展，已进入实用化阶段，但是磷酸铁锂材料仍然存在倍率性能不够理想的问题。近年来随着纳米合成技术的发展，通过合成特殊的纳米结构，能够减小电子和锂离子的扩散路径，可以有效地提高材料的电化学性能。本项目通过将磷酸铁锂和石墨烯复合得到插层结构，来提高磷酸铁锂材料的倍率性能。.本项目研究了石墨烯氧化物的合成制备条件，利用膨胀石墨为原料通过溶液反应制备了能在水溶液中均匀分散的石墨烯氧化物。通过冷冻干燥的方法得到石墨烯氧化物得粉末，同时保证石墨烯氧化物粉末能再次分散在水溶液体系而不发生团聚。在得到石墨烯氧化物的基础上，研究了磷酸铁锂/石墨烯复合物原位自组装合成条件。分析了石墨烯氧化物在反应过程中的结构变化。利用水热法实现了磷酸铁锂和石墨烯在溶液中的复合，通过高温热处理降低材料表面缺陷，显著改善了复合材料的电化学性能，并系统研究了高温热处理前后，复合材料结构的变化与电极性能的关系，为石墨烯复合型锂电池正极材料的设计提供了指导。.在磷酸铁锂和石墨烯原位自组装过程中，并没有得到预期的磷酸铁锂材料在石墨烯片层之间进行有取向的生产成为片状结构，所得到的是纳米级的磷酸铁锂颗粒担载在石墨烯片层之间的结果。虽然没有取向生长的结果，但是由于得到的磷酸铁锂颗粒较小，在体相内部扩散距离较短，因此所得的材料在电荷转移速率上仍然具有一定的优势。在宏观性能上也表现为具有较好的倍率放电容量和良好的低温特性。