鋰離子電池是當今社會移動電子設備的必要電源，由正極、負極、隔膜、電解液等組成，其關鍵性能指標(如倍率性能和循環(huán)壽命)由正極材料的電化學性能決定。
LiFePO4是公認的正極材料，為提高其電化學性能，人們長期致力于縮短鋰離子的擴散距離，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，其電化學性能主要依賴于充放電過程中同時參與電化學反應的粒子(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鍵問題。
針對此問題，金屬所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室高性能陶瓷材料研究部王曉輝課題組在前期研究基礎上(J. Phys. Chem. C 114:16806 (2010); Phys. Chem. Chem. Phys. 14: 2669 (2012); CrystEngCommun16: 10112 (2014))，通過創(chuàng)造極度缺水的酸性合成環(huán)境，在國際上首次制備出12 nm厚的[100]取向LiFePO4超薄納米片。
電壓回滯實驗結果顯示由該材料構成的電極具有迄今為止最小的電壓間隙(voltagegap)，恒電位間隙滴定測試結果說明此電極具有高的活化率和轉化率，這些結果表明由[100]取向LiFePO4超薄納米片構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，容量仍可達到理論容量的72%。
該工作為今后進一步提高鋰離子電池倍率性能提供新的方法和視角，即不僅可以通過減小[010]方向的尺度來縮短鋰離子的擴散距離，同時還可以通過調控[100]方向的尺寸來提高鋰離子電池的活化粒子數(shù)比例來提高鋰離子電池倍率性能。相關結果發(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“引進優(yōu)秀學者”和中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。
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)對應(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)計數(shù)據。
(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構成的三種電極的電壓間隙。
(c)在LiFePO4中Li化學勢相對于Li分數(shù)變化的函數(shù)關系，其中存在一個最大轉變勢壘(攆b)，定義為極大值和在不相混溶區(qū)中間的化學勢之差。
(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驗數(shù)據結果。
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