关键词:
生物纳米技术
仿生合成
磷酸铁锂
电化学性能
摘要:
如何将纳米科学转化成应用纳米技术,关键在于设计、组装和集成纳米材料。在生物系统的生物矿化作用下,许多具有无定形结构或晶体结构的纳米材料得以合成出来。与普通的纳米技术相比,这种生物纳米技术更适合于合成具有复杂结构的无机纳米材料。通过基因工程和生物自组装作用等,可以获得具有精确的化学组成以及特殊晶体结构和形貌的纳米材料。生物纳米技术,为实现将可再生天然生物材料应用到高性能锂离子电池的制造中,提供了强有力的条件。对于锂离子电池材料来说,减小活性材料的颗粒尺寸可以提高锂离子和电子的传导效率,从而提高材料的电化学性能。近年来,生物纳米技术获得了越来越多的关注,它作为一种新兴的合成手段和研究方法,已经成功合成出了一些新型的具有特殊结构和优越性能的仿生材料,并作为电极材料应用于锂离子电池中,获得优异的电化学性能。锂离子电池的电极材料系统中碳源的性能,在一定程度上影响材料的电化学性能表现。碳包覆这一技术手段,对于电极材料的高倍率性能和循环稳定性的提高有很大的作用。与其他的碳源相比,介孔生物碳材料具有独特的显微结构和优异的表面化学活性,并且廉价易得、绿色环保,因而可作为包覆碳的碳源来应用到锂离子电池材料的合成中。可见,生物纳米技术的优势在于:可以在环境温和的系统中获得高产量的介孔生物炭,合成出特定的精密结构甚至复杂的多级纳米自组装结构,并能精确控制材料的结构、尺寸、形貌和晶体生长方向。更重要的是,这一技术简单廉价、材料来源广泛并且可再生,为制造高性能锂离子电池提供了一条绿色环保且实用高效的途径,势必有良好的市场前景。本文针对采用生物纳米技术合成LiFePO4正极材料以及其电化学性能分析进行了研究与探讨。分别以棉花纤维、菠菜叶绿素、酵母细胞,作为模板、碳源或形核剂,合成出了具有特殊形貌和晶体结构的LiFePO4/C纳米复合结构。其中,棉花纤维模板法合成出了具有超晶格结构的LiFeP04/C,0.1C首次放电比容量高达181mAh/g(超过了其理论比容量170mAh/g)。菠菜叶绿素模板法合成出了大量层错结构的LiFePO4, 10C的高倍率下放电比容量为101mAh/g。酵母细胞模板法合成出了介孔微球LiFePO4/C复合材料,75次不同倍率循环后其容量保持率仍在98%以上。最后,对Nb掺杂LiFePO4/C复合正极材料的电化学性能进行了研究,Nb掺杂可以在一定程度上减小充电过程中阳极的极化现象,且显著地降低了材料的电荷转移阻抗。