鋰離子電池是當(dāng)今社會(huì)移動(dòng)電子設(shè)備的必要電源，由正極、負(fù)極、隔膜、電解液等組成，其關(guān)鍵性能指標(biāo)(如倍率性能和循環(huán)壽命)由正極材料的電化學(xué)性能決定。
LiFePO4是公認(rèn)的正極材料，為提高其電化學(xué)性能，人們長(zhǎng)期致力于縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，即減小[010]方向的尺寸。最近的研究表明，電極由大量粒子組成，其電化學(xué)性能主要依賴(lài)于充放電過(guò)程中同時(shí)參與電化學(xué)反應(yīng)的粒子(活化粒子)占總粒子數(shù)的比例。因此，如何獲得具有高活化粒子數(shù)比例的LiFePO4是正極材料研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
針對(duì)此問(wèn)題，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室高性能陶瓷材料研究部王曉輝課題組在前期研究基礎(chǔ)上(J. Phys. Chem. C 114:16806 (2010); Phys. Chem. Chem. Phys. 14: 2669 (2012); CrystEngCommun16: 10112 (2014))，通過(guò)創(chuàng)造極度缺水的酸性合成環(huán)境，在國(guó)際上首次制備出12 nm厚的[100]取向LiFePO4超薄納米片。
電壓回滯實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示由該材料構(gòu)成的電極具有迄今為止最小的電壓間隙(voltagegap)，恒電位間隙滴定測(cè)試結(jié)果說(shuō)明此電極具有高的活化率和轉(zhuǎn)化率，這些結(jié)果表明由[100]取向LiFePO4超薄納米片構(gòu)成的電極具有高的活化粒子數(shù)比例。因而，該電極具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)壽命。在10C(60分鐘/10= 6分鐘)充放電倍率下，循環(huán)1000次后能保持初始容量的90%。在20C充放電倍率下，容量仍可達(dá)到理論容量的72%。
該工作為今后進(jìn)一步提高鋰離子電池倍率性能提供新的方法和視角，即不僅可以通過(guò)減小[010]方向的尺度來(lái)縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)控[100]方向的尺寸來(lái)提高鋰離子電池的活化粒子數(shù)比例來(lái)提高鋰離子電池倍率性能。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在2016年1月13日出版的Nano Letters (16:795-799)雜志上。
該工作得到了金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
圖1(a)新合成的樣品和把樣品分散后再滴到非晶硅上的XRD圖譜。
(b)圖a的示意圖。(c,d)LiFePO4的TEM圖。
(e)對(duì)應(yīng)(d)的電子衍射花樣。用高斯函數(shù)擬合LiFePO4晶粒沿著不同方向的尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
(f)a軸，12nm，(g)b軸，134nm，(h)c軸，280nm。
圖2(a)[100]取向，微波輔助合成以及[010]取向LiFePO4的形貌示意圖。
(b)在不同的充放電電流下，從C/2到C/100，分別由[100]取向、微波輔助合成、[010]取向的LiFePO4構(gòu)成的三種電極的電壓間隙。
(c)在LiFePO4中Li化學(xué)勢(shì)相對(duì)于Li分?jǐn)?shù)變化的函數(shù)關(guān)系，其中存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)變勢(shì)壘(攆b)，定義為極大值和在不相混溶區(qū)中間的化學(xué)勢(shì)之差。
(d)[100]取向和微波輔助合成LiFePO4電極的恒電位間隙滴定及其擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。
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