碳包覆鋰電池正極材料是提高其電化學性能的有效辦法，這主要是由于提高了正極材料的導電性，而石墨化的碳材料由于電導率更高，因此可以更大程度上提高正極材料的導電性。但是，有文獻報道當鋰離子通過無缺陷石墨片層時其擴散速率是受限的，可能會降低正極材料的電化學性能。研究者提出可以通過石墨烯包覆的辦法研究碳包覆對磷酸鐵鋰正極材料電化學綜合性能的影響。

    研究者通過石墨烯全部包覆、部分包覆和采用常規的無定形碳包覆磷酸鐵鋰的思路來比較分析了碳包覆對磷酸鐵鋰電化學性能的影響。

    制備方法：

    石墨烯全部包覆（LFP@GN）：將磷酸鐵鋰和十六烷基三甲基溴化銨溶液混合超聲2h，之后緩慢加入氧化石墨烯水溶液，然后滴加鹽酸調節PH值＜7，之后加入水合肼還原，然后用去離子水洗凈，離心后烘干，之后在氮氣氛圍下在600℃熱處理2h。

    石墨烯部分包覆（LFP/GN）：除了未引入十六烷基三甲基溴化銨，其他步驟同石墨烯全部包覆相同。

    ?無定形碳包覆（LFP/TC）：采用蔗糖作為碳源，和磷酸鐵鋰在氮氣氛圍下在600℃熱處理2h。

    圖1 碳包覆磷酸鐵鋰的制備示意圖

    從圖中（圖2）可以看出，磷酸鐵鋰可以全部被石墨烯包覆住，并且其表面的石墨烯是薄而褶皺的，而對于無定形碳包覆的磷酸鐵鋰，我們可以清晰的看出其表面有一層薄而無定形的碳層，對于部分石墨烯包覆的磷酸鐵鋰，也可以明顯看出磷酸鐵鋰有部分被石墨烯包覆住，然后還有部分沒有被包覆。

    圖2 不同的碳包覆材料的結構和微觀形貌

    當以0.05C的電流密度進行恒電流充放電時（圖3），石墨烯全包覆的磷酸鐵鋰其容量只有約40mAh/g,而部分包覆的石墨烯容量約為150mAh/g，這主要是因為石墨烯片阻礙了磷酸鐵鋰中的鋰離子傳輸擴散到電解液中，導致磷酸鐵鋰材料中Fe2+/Fe3+的氧化還原反應無法完全進行。而對于未完全包覆的磷酸鐵鋰材料，其鋰離子可以通過未被石墨烯包覆的區域進行傳輸擴散，因此磷酸鐵鋰材料中Fe2+/Fe3+的氧化還原反應可以進行完全，使其容量可以充分發揮出來。

    圖3 磷酸鐵鋰電化學性能測試

    研究者采用石墨烯作為理想模型研究了碳包覆對磷酸鐵鋰電化學性能的影響。當石墨烯部分包覆磷酸鐵鋰不會明顯阻擋鋰離子的傳輸擴散，而且會大幅度提高其導電性，因此可以提高磷酸鐵鋰的電化學性能，當磷酸鐵鋰正極材料被石墨烯完全包覆時，石墨烯會阻隔活性材料磷酸鐵鋰與電解液的接觸，阻擋鋰離子的傳輸擴散。理想的碳包覆模型是既可以提高磷酸鐵鋰材料的電導率也不會降低鋰離子的傳輸擴散速率。

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責任編輯：龐雪潔

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