石墨烯纳米片用作锂离子电池正极材料LiFePO4导电剂的研究

石墨烯纳米片用作锂离子电池正极材料LiFePO4导电剂

的研究

石墨烯纳米片用作锂离子电池正极材料LiFePO4 导电剂的研究

李新禄张勇来宋宏芳王皓李鸿乂黄佳木

5 10 15 20 25 30 35

重庆大学材料科学与工程学院重庆 400045

摘要针对锂离子电池正极材料 LiFePO4 的导电性问题本文采用石墨烯纳米片作为新型

导电剂扫描电镜发现石墨烯纳米片的表面褶皱使其能有效地包裹 LiFePO4 颗粒形成

面接触的导电界面从而显著提高了导电性恒流充放电试验表明石墨烯纳米片的加入有

利于提高 LiFePO4 的电化学反应活性相对于传统的炭黑LiFePO4 的放电容量在 01C 下

提高了 11 mAh g-1

关键词正极材料石墨烯导电剂锂离子电池

中图分类号T M 912 9

Investigation on graphene nanosheets as a conducting

additives in LiFePO4 cathode materials for lithium ion

batteries

LI Xinlu ZHANG Yonglai SONG Hongfang WANG Hao LI Hongyi HUANG

Jiamu

College of Materials Science and Engineering Chongqing University Chongqing 400045

Abstract Graphene nanosheets were used a conducting additives in order to improve the conductivity

of LiFePO4 Scanning electron microscopy images showed that the

surface wrinkles of graphene

nanosheets wrapped LiFePO4 particles to form plane contacted interface thus enhanced the

conductivity of the cathode Galvanostatic charge-discharge tests indicated that the addition of

graphene nanosheets increase the electrochemical reaction activation of LiFePO4 Compared with the

carbon black the discharge capacity of LiFePO4 at 01C rate was improved 11 mAh g-1

Key words graphene nanosheets conducting additives LiFePO4 lithium-ion batteries

0 引言

磷酸铁锂LiFePO4 LFP作为锂离子电池的正极材料[1]具有资源丰富价格低廉

环境友好循环性能优良等[23]特点在锂离子电池中有着广泛应用然而极低的电子电

导率和离子电导率[4]阻碍了 LiFePO4 在动力型锂离子电池中的应用领域目前解决该问题的

途径主要有表面碳包覆[5-7]金属阳离子掺杂[8]以及颗粒尺寸纳米化[9-10]等研究发现导

电剂的使用对提高电极材料的电子电导率具有显著作用[11-12]目前商用导电剂多为炭黑

Carbon black CB颗粒炭黑零散的分散在 LiFePO4 电极材料中难以形成有效的导电

网络石墨烯具有优异的电子传导率其独特的二维结构有利于增大导电剂与LiFePO4 颗粒

的接触面积[13]从而增强活性材料的导电性改善其电化学性能

本文采用改性 Hummers 法[14]制备了石墨烯纳米片Graphene Nanosheets GNs并分

别以 GNs 和 CB 为导电剂探究了石墨烯纳米片对磷酸铁锂正极材料电化学性能的影响效

基金项目教育部高等学校博士点科研基金20090191120015

作者简介李新禄 1975- 男副教授研究方向储能材料 E-mail lixinlucom -1-

应

40 45 50 55 60 65

1 实验

11 材料制备及电池的组装

采用鳞片石墨50 目青岛产99995为原料经改性 Hummers 法氧化后所得氧化石墨经 60℃干燥磨碎后在 1000管式炉中膨胀再经超声剥离制得石墨烯纳米片

GNs将 LiFePO4 颗粒D50 475 μm精锐电池有限公司广州导电剂和聚偏氟乙烯PVDF

粘结剂按质量比 9055 混合采用 N-甲基吡咯烷酮NMP 999 Alfa Aesar分散后调

成糊状涂在铝箔上经干燥辊压后切成直径为 18 mm 的工作电极极片分别标记为

LFP-CB 和 LFP-GNs以 1molL LiPF6EMC DMC体积比 1 1 张家港产电池级为电

解液金属锂片 995天津为对电极Celgard 2500 为隔膜在充满氩气的手套箱内

装配成 CR2430 型扣式电池

12 电极材料的结构表征及电化学性能测试

采用型号为 D-2500PC Cu Kαλ 15406 的 X 射线衍射仪分析导电剂及LiFePO4

颗粒的物相扫描速度为 4°min采用氮吸附比表面分析仪ASAP 2020 M分析导电剂

与电极材料的比表面积及孔结构采用 FEI Nova 400 场发射扫描电镜观察电极材料的表面

形貌

交流阻抗谱EIS和循环伏安CV测试在电化学工作站 Solartron 12871260 8w

AMETEK 上进行EIS 测试频率范围为 100 kHz 01 HzLFP-CB 和 LFP-GNs 电极片的 CV

测试窗口分别 23 42 V 和 27 42 Vvs LiLi恒流充放电测试在 BTS0105C8宁波

拜特电池测试仪上进行电位窗口为 27 42 Vvs LiLi

2 结果与讨论

21 结构分析

图 1a和b分别为 LiFePO4 和导电剂的 XRD 图谱从图 1a可知磷酸铁锂

具有橄榄石型的结构空间群为 Pnma JCPDS NO 83-2092 该样品的结晶度较高

且没有杂相峰出现计算可知其晶胞参数 abc 分别为 0608 nm1033 nm 和0469 nm

从图 1b可以看出石墨烯和炭黑的002晶面具有较宽的衍射峰和较低的衍射强度

表明二者的石墨化程度明显降低经过氧化和高温膨胀后石墨烯的晶体结构受到一定程度

的破坏晶体缺陷较多