Desarrollo de materiales de batería de litio recubiertos de grafeno por la Universidad de Sichuan

El fosfato de hierro y litio es un material de cátodo de uso común para baterías de iones de litio, y es el preferido por los fabricantes de baterías eléctricas debido a su buena estabilidad térmica y seguridad.

Las pruebas de seguridad relevantes muestran que bajo las condiciones técnicas existentes, solo las baterías de iones de litio que utilizan materiales de fosfato de hierro y litio pueden pasar todas las pruebas de seguridad y no se encienden ni explotan en experimentos de acupuntura y compresión. Esto es muy importante para vehículos eléctricos, autobuses eléctricos y otras áreas donde los requisitos de seguridad de la batería son extremadamente altos.

Sin embargo, los materiales de fosfato de hierro y litio también tienen esta deficiencia innata. La razón principal es que el voltaje de trabajo es bajo, solo alrededor de 3.4 V, y la conductividad es pobre. Esto no solo hace que la densidad de energía del material sea mucho más baja que la del ácido de cobalto de litio y otros materiales, sino que también afecta a la batería. Rendimiento de carga y descarga rápida.

Para aumentar el voltaje de trabajo de los materiales de fosfato de hierro y litio, las personas intentan reemplazar los elementos de Fe en los materiales de fosfato de hierro y litio con elementos de Mn, pero los experimentos y cálculos relevantes han demostrado que LiMnPO4 tiene una conductividad muy pobre y la conductividad electrónica es mucho más baja que LiFePO4. Como resultado, el rendimiento de duplicación del material es extremadamente pobre y es casi imposible de descargar.

Como resultado, las personas se retiraron al segundo lugar y en su lugar estudiaron LiMn1-xFexPO4, un material en solución sólida de fosfato de hierro y litio y fosfato de litio y manganeso. Por un lado, este material hereda la conductividad "relativamente buena" de LiFePO4 y también hereda el voltaje operativo más alto de LiMnPO4.

Para mejorar la conductividad de los materiales de fosfato de ferromanganeso de litio, las personas han probado una variedad de materiales para cubrir, de los cuales el más exitoso y maduro es el método de recubrimiento de grafito, pero debido a que el grafito no puede formar una red conductora continua en la superficie de las partículas del material, por lo tanto, la mejora del grafito en las propiedades del material de fosfato de ferromanganeso de litio es muy limitada.

Los materiales de grafeno constan de átomos de grafito de capa única o de capa baja y tienen buena conductividad. Actualmente son los materiales más conductores de los materiales conocidos. La aparición del grafeno ofrece a las personas una opción adicional. La excelente conductividad del grafeno, puede mejorar significativamente la conductividad electrónica del material de fosfato de hierro y litio y mejorar el rendimiento de duplicación del material.

En la actualidad, existen dos métodos principales para recubrir con grafeno el fosfato de hierro y litio: el método hacia atrás y el método hacia adelante. El método inverso consiste en formar una capa de grafeno en la superficie de la partícula de material mediante mezcla mecánica y autoensamblaje en la superficie de la partícula de material de fosfato de hierro y litio sintetizado.

El método directo consiste en formar carbono de pirólisis mediante pirólisis de materia orgánica de Fe, formar una capa de grafeno en la superficie de la partícula de material mediante carbonización catalítica o sintetizar el precursor FePO4 directamente en la solución de óxido de grafeno para unirlo al óxido de grafeno. . En la hoja, se sintetiza material de fosfato de hierro y litio.

Dado que solo hay un canal de difusión de Li + dimensional para los materiales de olivino, preferimos cubrir una capa de varios cientos de nanómetros de grafeno en la superficie de la partícula primaria de fosfato de hierro y litio para lograr la mejora simultánea de la conductividad electrónica del material y la conductividad iónica. El propósito.

Recientemente, WeiXi de la Universidad de Sichuan y otros sintetizaron grafeno recubierto con ferromanganeso fosfato de litio mediante el método directo. Primero sintetizaron el material Li3PO4 nanométrico recubierto de grafeno en la solución de óxido de grafeno por coprecipitación, y luego hicieron reaccionar el precursor con Mn2 + y Fe2 + en la solución de etilenglicol mediante el método de calor con solvente para obtener material LiMn 0.5 Fe 0.5 PO4. Luego, el óxido de grafeno se reduce a grafeno. El material hereda la morfología del precursor Li3PO3. Su diámetro de partícula es de solo unos 20 nm, lo que acorta en gran medida la distancia de difusión de Li +. La estructura de la red de grafeno le da al material una buena conductividad. actuación.

Las pruebas electroquímicas encontraron que hay dos plataformas de voltaje en el material, 3.4-3 .6 V y 4.0-4 .1 V, respectivamente, correspondientes a Fe2 + / Fe3 + y Mn2 + / Mn3 +, respectivamente.

La prueba de capacidad encontró que el material puede alcanzar los 166 mAh / g después de ser recubierto de carbono nuevamente. Debido a la buena conductividad del material, el material tiene un buen rendimiento multiplicador a 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1C, 3C, 5C, en el múltiplo de 10C y 20C, la capacidad específica del material alcanzó 166,156,136,126,115,107,101,90mAh / g, respectivamente, y la densidad de energía del material también alcanzó los 612Wh / kg, que es más alta que la del ácido de litio y cobalto. Con 500 ciclos a tiempos de 1C, el material tiene una tasa de retención de capacidad del 92%, lo que muestra un excelente rendimiento de reciclaje.

El material nanométrico LiMn 0.5 Fe 0.5 PO4 recubierto de grafeno sintetizado por este método ha superado el problema de la mala conductividad del material y las dificultades de difusión de Li +, mejorado el rendimiento de duplicación del material y mejorado la densidad de energía del material. En la actualidad, el mayor problema con este método es que el costo del grafeno es demasiado alto, lo que aumenta el costo de todo el material.

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