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锂离子电池正极材料LiFePO4研究取得重要进展
发布时间：2016-03-23 文章来源：技术部
锂离子电池是当今社会移动电子设备的必要电源，由正极、负极、隔膜、电解液等组成，其关键性能指标（如倍率性能和循环寿命）由正极材料的电化学性能决定。LiFePO4是公认的正极材料，为提高其电化学性能，人们长期致力于缩短锂离子的扩散距离，即减小[010]方向的尺寸。**近的研究表明，电极由大量粒子组成，其电化学性能主要依赖于充放电过程中同时参与电化学反应的粒子（活化粒子）占总粒子数的比例。因此，如何获得具有高活化粒子数比例的LiFePO4是正极材料研究的关键问题。
针对此问题，金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室高性能陶瓷材料研究部王晓辉课题组在前期研究基础上（J. Phys. Chem. C 114: 16806 (2010); Phys. Chem. Chem. Phys. 14: 2669 (2012); CrystEngCommun 16: 10112 (2014)），通过创造极度缺水的酸性合成环境，在国际上首次制备出12 nm厚的[100]取向LiFePO4超薄纳米片。电压回滞实验结果显示由该材料构成的电极具有迄今为止**小的电压间隙（voltage gap），恒电位间隙滴定测试结果说明此电极具有高的活化率和转化率，这些结果表明由[100]取向LiFePO4超薄纳米片构成的电极具有高的活化粒子数比例。因而，该电极具有优异的倍率性能和循环寿命。在10 C（60分钟/10 = 6分钟）充放电倍率下，循环1000次后能保持初始容量的90%。在20 C充放电倍率下，容量仍可达到理论容量的72%。该工作为今后进一步提高锂离子电池倍率性能提供新的方法和视角，即不仅可以通过减小[010]方向的尺度来缩短锂离子的扩散距离，同时还可以通过调控[100]方向的尺寸来提高锂离子电池的活化粒子数比例来提高锂离子电池倍率性能。相关结果发表在2016年1月13日出版的Nano Letters (16: 795-799)杂志上。
该工作得到了金属所“引进****学者”项目和中科院青年创新促进会的支持。
图 1
图1（a）新合成的样品和把样品分散后再滴到非晶硅上的XRD图谱。（b）图a的示意图。（c, d）LiFePO4的TEM图。（e）对应（d）的电子衍射花样。用高斯函数拟合LiFePO4晶粒沿着不同方向的尺寸统计数据。（f）a轴，12 nm，（g）b轴，134 nm，（h）c轴，280 nm。
图 2
图2（a）[100]取向，微波辅助合成以及[010]取向LiFePO4的形貌示意图。（b）在不同的充放电电流下，从C/2到C/100，分别由[100]取向、微波辅助合成、[010]取向的LiFePO4构成的三种电极的电压间隙。（c）在LiFePO4中Li化学势相对于Li分数变化的函数关系，其中存在一个****转变势垒（Δμb），定义为极大值和在不相混溶区中间的化学势之差。（d）[100]取向和微波辅助合成LiFePO4电极的恒电位间隙滴定及其拟合实验数据结果。