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    富鋰三元正極與石墨烯復合會產生怎樣的嬗變?

    發布日期:2020-6-15瀏覽次數:641

    自2001年問世以來,富鋰三元正極材料便以其超高的放電比容量和大于4.5V的首次充電電壓引人注目。盡管具有很高的首圈充電比容量,然而其首圈庫倫效率只有60%-80%,第二圈充放電時,其充電比容量和庫倫效率就會恢復正常,即具有較大的不可逆充電比容量。石墨烯具有高導電率、大比表面積、特殊的二維網狀結構等特性,可用來包覆富鋰材料,緩解材料極化,提高富鋰材料導電率。



    富鋰層狀正極材料首圈充放電曲線圖


    為探究富鋰三元正極與石墨烯復合后的材料性能,山東理工大學的王發剛教授等人通過采用水熱法制備石墨烯/富鋰三元正極復合材料,并通過X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、充放電測試儀等方法對其形貌和電化學性能進行研究,并對比了石墨烯包覆前后富鋰三元正極的性能變化。


    研究表明,石墨烯包覆量為2%(質量分數)時,包覆效果較好,石墨烯/富鋰三元正極復合材料首次庫侖效率為89.6%,比富鋰三元正極材料提高17.16%,放電比容量為226.41mAh/g,比原材料提高了21.38mAh/g;以0.5C循環100次后石墨烯/富鋰三元正極復合材料放電比容量可保持在154m Ah/g,容量保持率為88%,比富鋰三元正極材料提高5.3%;石墨烯/富鋰三元正極復合材料阻抗為75Ω,比富鋰三元正極材料阻抗低50Ω。


    試驗結果


    XRD分析



    樣品A及樣品WA1-WA4的XRD譜圖


    SEM分析



    不同倍率下樣品A及樣品WA1-WA4的SEM圖


    電化學性能研究



    正極材料樣品首次充放電比容量及庫倫效率



    在0.05C下5種正極材料樣品首次充放電曲線圖



    不同倍率下正極材料樣品平均放電比容量曲線圖



    0.5C下正極材料樣品的放電比容量及容量保持率



    0.5C下循環100次正極材料樣品的放電比容量曲線圖


    交流阻抗測試



    正極材料樣品在放電電壓3.8V、0.5C下循環

    20次(a)、循環100次(b)的交流阻抗譜圖


    綜合材料結構、形貌與電化學性能分析結果可知,石墨烯包覆提高了富鋰三元正極材料電導率,降低了材料電極極化程度,使得材料團聚度有所下降,因而石墨烯/富鋰三元正極復合材料的比容量和電壓平臺都有所提高,且循環保持率較好。


    石墨烯包覆富鋰三元正極材料的機理:在水熱還原氧化石墨烯時,富鋰三元正極材料摻入其中,阻礙了石墨烯的團聚,最終形成以石墨烯為導電網絡的復合材料。由于富鋰三元正極材料屬于過渡金屬氧化物和鋰的化合物,電子導電性很差,因此石墨烯的包覆能夠提高其導電率,降低材料極化,使材料放電容量得到提升,同時表面的石墨烯也有利于材料抵抗電解液侵蝕,提高了材料循環性能。

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