采用铁磷酸盐/石墨复合负极的锂离子SSB蓄电池性能：一种用于先进储能解决方案的协同方法
2026-06-09 19:53:35
在本研讨中，正在开发一种新式锂离子电池负极资料，以推动储能技能的发展。该研讨要点在于将不同份额的FePO 4（已知作为负极活性资料时具有高容量）与传统石墨复合，以进步负极电极的容量。经过多种电化学和资料表征技能，对制备的负极电极进行了全面剖析，旨在评价根据FePO 4/Graphite的新式复合资料的效能。电化学评价表明，FePO 4 : Graphite = 5:95 wt% 的复合负极完成了最高的放电比容量435 mAh g⁻¹，库仑功率为95%；在70 mA g⁻¹电流密度下循环200次后，其放电比容量坚持为384 mAh g⁻¹；与石墨负极相比，它表现出优异的比容量坚持率和倍率功能，在700 mA g⁻¹下到达309.4 mAh g⁻¹。这些效果凸显了FePO 4/Graphite复合资料作为负极资料在提高锂离子电池功能方面的潜力，使其成为未来储能解决方案的一种可行选择。
图文摘要
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关键词
阳极
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石墨
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磷酸铁
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放电容量
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锂离子电池
引言
锂离子电池（LIBs）因其在从小型电子设备到大型电动汽车及电网储能体系等各种能源运用中的关键作用而日益受到研讨[[1], [2], [3]]。凭借高能量密度、超卓的作业电压和长循环寿数，LIBs作为一种牢靠的储能解决方案脱颖而出[[4], [5], [6]]。虽然前景宽广，但锂离子电池仍需改进，特别是在能量密度方面，以更好地服务于电动交通运用。不同的运用需求特定的能量密度，这使得定制化的电极设计和生产工艺成为必要。此外，完成这些能量密度的提高取决于立异的资料工程与优化。这在电动汽车制造等范畴尤为重要，因为电池分量、容量与功率之间的平衡决议了该技能的可行性。在这方面，新式的电解质体系和生物相容性资料正在被探究，以支撑先进的LIB架构，包含供给更高安全性和环境可持续性的聚合物-陶瓷及生物基体系[7,8]。
例如在电动汽车范畴，首要需求是延伸续航里程。这需求具备高能量容量的电池，以便单次充电能行进更长距离。因而，电池组件的化学成分会依据预期用处而有所不同。锂离子电池负极资料的关键特性包含充放电进程中体积胀大最小化、高电子导电性以及在多种温度下表现出最佳功能。跟着电动汽车对高功能电池的需求日益增长，优化负极资料以满意这些特定要求正受到越来越多的重视。在各种资猜中，石墨因其在当时电池技能中已证实的功率和牢靠性而成为一个杰出的选择。
现在，石墨是商业LIBs中负极电极的主流活性资料。其被选用是因为兼具高比容量、高效的锂离子嵌入/脱出可逆性以及经济实惠等优势[9]。此外，石墨相对于锂的低作业电位及其在多次循环中的耐久性，进一步证明了其在LIBs中广泛运用的合理性。石墨在充电进程中嵌入锂离子并在放电进程中脱出锂离子的能力，对其功能发挥至关重要。虽然石墨在LIBs中的地位因其高比容量和牢靠的锂离子动力学而得到巩固，但其有限的理论容量为需求更高能量密度的运用（如电动汽车）带来了严重应战。这促使研讨要点转向经过立异的资料组合来提高石墨的容量。
LIBs中的石墨基负极电极具有372 mAh g⁻¹的有限理论容量。这一局限性阻碍了它们满意电动汽车等运用的高能量需求[[10], [11], [12]]。为了提高石墨的容量，一种石墨与graphene oxide的复合资料被成功组成，作为LIBs中高容量、无粘结剂的负极资料[13]。将carbon nanotubes引进石墨泡沫的试验制备出了用于LIBs的自支撑负极，供给了高比表面积并进步了电池容量[14]。硅与石墨在复合资猜中的联合运用已得到总述，要点重视其电化学功能和应战[15]。开发硅-石墨负极以及各种复合结构构建技能的重要性得到了强调[16]。使用自催化堆积技能开发了锡-石墨复合资料作为LIBs的负极资料，展示出增强的比放电容量、库仑功率、倍率功能行为以及改进的循环寿数[17]。此外，经过加热红磷和多孔碳的混合物制备了石墨/磷复合负极，电化学功能评价显示其具有高可逆容量[18]。并且，根据金属氧化物的负极（如ZnMoO₄）也因其高理论容量和稳定的循环行为而受到研讨，为传统含碳复合资料之外供给了代替途径[19]。
虽然经过各种资料立异在提高石墨容量方面取得了进展，但每类负极资料都面临着自身的一系列应战，这些问题需求得到解决才能完成实践运用。因而，寻找LIBs中理想的负极资料不仅触及进步容量，还需求平衡本钱效益、耐用性以及电池运转期间资料稳定性等要素。前文提到的作为添加剂以增强LIBs中石墨容量的嵌入/脱嵌型和合金化/去合金化反响型资料，各自存在显着的缺陷。例如，归属于嵌入/脱嵌类别的碳纳米资料（如graphene和carbon nanotubes）展现出了令人形象深入的科学效果。然而，它们作为负极活性资料的大规模运用受限于昂扬的生产本钱。另一方面，阅历合金化/去合金化反响的资料（如Silicon、Tin、Phosphorus）则面临严重应战。这些资料的首要问题在于充放电进程中会产生剧烈的体积改变。这种改变会导致电极资料粉碎，然后造成循环功能差和电池耐用性下降。这一问题进一步限制了它们在当时电池技能中的实用性[6]。
为了缓解这些应战，研讨人员越来越多地探究复合电解质，例如经过增塑剂增强的PEO/PVDF-LLZO（聚氧化乙烯/聚偏氟乙烯 - Li 7 La 3 Zr 2 O 12）结构，以在固态电池装备中供给改进的离子电导率和机械稳定性[20]。最近，磷酸铁（FePO 4）基负极资料因其制备简便、容量优异、安全性高、无毒性以及因为磷酸盐和铁的天然丰度而具有本钱效益等特色，招引了越来越多的重视[[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。
FePO 4 已被研讨作为LIBs的负极资料，显示出485 mAh g⁻¹的首次充电容量[28]。在0–2.4 V电压范围内探究了FePO 4的电化学反响机制，揭示了321 mAh g⁻¹的可逆容量[29]。采用化学沉淀法结合退火处理组成了一种FePO 4/N-掺杂碳复合资料。因为该相关复合资料需在600 °C的高温下烧结，其退火处理在电力本钱方面具有应战性。针对该负极资料锂离子存储功能的研讨表明，对于LIB半电池，其比容量为761.1 mAh g⁻¹，循环400次后的循环能力为433.5 mAh g⁻¹[30]。这些关于FePO 4作为负极资料研讨的协同努力，反映了提高LIBs全体功能所需的归纳办法。
在本研讨中，探讨了一种经过将FePO 4整合到石墨基体中来提高LIBs中石墨负极容量的新办法。这种立异办法触及开发一种复合负极资料，该资料是经过将石墨与FePO 4精心混合并随后在低温下进行干燥处理而制得的。值得注意的是，本研讨创始性地将FePO 4直接掺入用于LIBs的石墨负极中，这一办法在现有文献中尚未见报道。为了全面评价这种新式复合资料的效能，对制备的电极经过多种电化学和资料表征技能进行了广泛剖析。根据纯石墨（100 wt%）以及不同FePO 4:Graphite份额（2.5:97.5 wt%、5:95 wt%和7.5:92.5 wt%）的负极经过浆料混合工艺制备而成，并装备为以锂金属为对电极的半电池，接受了电化学评价，以比较其比容量、库仑功率、容量坚持率、倍率功能、循环伏安特性和阻抗特性。此外，还采用了一系列资料表征办法，如能量色散X射线光谱（EDX）和扫描电子显微镜（SEM）。这些办法别离供给了关于相关电极元素组成和微观表面形貌的信息。
