陀螺状磷酸亚铁锂/碳纳米管复合材料的结构调控及电化学特性研究

复合材料因其新颖的物理和化学性质而成为化学和材料学交叉研究的热点和前沿领域之一。磷酸亚铁锂（LiFePO4）正极材料以其价格低廉、循环寿命长、安全性好等优点而成为一种最有潜力的锂离子动力电池正极材料。但导电率低、倍率性能差及振实密度小成为其制备和应用的技术"瓶颈"。本项目采用现代材料制备技术，将碳纳米管（CNTs）植入LiFePO4的"体内"，构筑具有陀螺状结构的LiFePO4/CNTs复合材料，以实现其技术"瓶颈"的突破。申请人拟围绕陀螺状LiFePO4/CNTs及其改性复合材料的合成过程控制及其电化学特性展开工作：一方面，通过对微波辅助溶胶凝胶法合成陀螺状LiFePO4/CNTs及其改性复合材料的过程研究，阐明其特殊结构的生成机制和控制机理；另一方面，将其作为锂离子电池正极材料，探索其脱嵌锂过程的微观机制及其与特殊结构的相关性。本成果将为LiFePO4动力电池的大规模应用奠定基础。

复合材料因其新颖的物理和化学性质而成为化学和材料学交叉研究的热点和前沿领域之一。LiFePO4正极材料以其价格低廉、循环寿命长、安全性好等优点而成为一种最有潜力的锂离子动力电池正极材料。但导电率低、倍率性能差及振实密度小成为其制备和应用的技术“瓶颈”。.本项目采用三种技术路线合成LiFePO4/C材料，分别研究了微波时间、柠檬酸量等因素对LiFePO4/C形貌及性能的影响，根据合成技术路线的难易程度、时间长短、能耗高低和电化学性能好坏等因素，最终确定了技术路线（iii）为最佳合成路线，分析了它们的储锂机理；为了进一步提高LiFePO4/C正极材料的容量、倍率性能和循环稳定性能，我们将MWNTs植入了LiFePO4的"体内"，构筑了具有陀螺状结构的LiFePO4/MWNTs复合材料，研究了其特殊结构的生成机制和控制机理；同时在具体的研究过程中，采用XRD、SEM、FESEM、TEM、恒流充放电、EIS、CV、LPC等多种测试技术，详细研究了BC、Co2+、V2O5材料对所得陀螺状LiFePO4/MWNTs复合材料的修饰与改性，重点研究了BC、Co2+、V2O5材料的引入对其结构和电化学特性的影响。结果表明，V2O5的修饰对复合材料的结构和形貌均有一定的影响，并且后期掺杂较前期掺杂V2O5所得复合材料具有更好的电化学性能。后期掺杂c-V2O5含量为3 wt.%的样品，放电比容量最大，0.1 C时其首次放电比容量可达165 mAh g-1，第10次循环时其放电比容量为141 mAh g-1，容量保持率高达85.5%。后期掺杂a-V2O5的最佳含量为5 wt.%，该条件下合成样品的0.1、0.2、0.5和1.0 C放电比容量高达192、167、151和123 mAh g-1。这些优越的电化学性能，归因于其特殊的陀螺状微结构。这些结果表明，经V2O5修饰和改性的陀螺状结构LiFePO4/MWNTs复合材料，是一种很好的适用于锂离子动力电池的正极材料。.另外，还采用低温固相法和溶胶-凝胶法制备出了电化学性能不同的MnO2、Li3V2(PO4)3和NiO特殊结构电极材料，研究了其合成规律-结构-电化学性能之间的关系，为特殊微纳米材料的制备、结构及电化学性能的调控提供实验基础和理论指导。