磷酸亞鐵鋰粉體粒徑對電池性能的影響; Electrochemical Properties of LiFePO4 Prepared Via Ball-milling

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题名:	磷酸亞鐵鋰粉體粒徑對電池性能的影響;Electrochemical Properties of LiFePO4 Prepared Via Ball-milling
作者:	陳運庚;Yun-Geng Chen
贡献者:	化學工程與材料工程研究所
关键词:	磷酸亞鐵鋰;陰極材料;鋰離子電池;粒徑大小;行星式球磨機;Particl;Cathode;LiFePO4;Lithium-ion batteries
日期:	2007-06-02
上传时间:	2009-09-21 12:30:56 (UTC+8)
出版者:	國立中央大學圖書館
摘要:	本論文將商用材料及實驗室自行合成材料，利用行星式球磨機於大氣中濕式研磨，過濾分離出不同粒徑粉體，但因粉體在空氣中研磨，所以表面遭受到氧化及破壞，故在此利用50 wt.%丙二酸蒸鍍方式於873 K煆燒12小時，以其能修補被破壞的晶相並於磷酸亞鐵鋰粒子表面塗佈一層碳膜，幫助導電。本製程所製備之不同粒徑粉體材料，經X光粉末繞射分析結果顯示在研磨過程中，經由鋯珠與粉體間的相互碰撞，造成碳膜破壞、脫落及晶相的減弱，但經50 wt.%丙二酸蒸鍍方式於873 K煆燒12小時後，晶相強度回復，藉此方式也於粒子表面塗佈碳膜；藉由SEM觀察材料之表面型態可得知，在研磨的過程中，可縮小粉體粒徑，並藉由鋯珠與粉體的碰撞將粒子變圓滑，趨於球形；另外，為了解材料中碳之塗佈情形，吾人以TEM/ SAED/ EDS進行分析，由EDS發現有些微的碳塗佈於LiFePO4材料表面，且以半透明之碳膜包覆於灰黑色LiFePO4材料表面，經SAED分析後發現為不定型結構之碳。不同粒徑粉體中，以粒徑最小者電池性能最佳，於充放電截止電壓分別為4.3與2.8 V，0.2 C的測試條下，商用材料232 nm粉體，初始電容量為155 mAh g-1；實驗室自行合成材料205 nm粉體，初始電容量為157 mAh g-1。藉由CV觀察，隨著粉體粒徑的縮小，在動力學上的表現較佳，極化現象也趨於緩和。在不同電流下充放電測試，結果顯示粉體粒徑小者，能承受較高的電流，在商用材料232 nm粉體與實驗室自行合成材料205 nm粉體，所能承受的之最大電流分別為3與5 C；而大粒徑商用材料456 nm粉體與實驗室自行合成材料476 nm粉體，所能承受最大電流分別為1與3 C。鋰離子電池在大型交通工具的應用中，材料能否具備良好的熱穩定性是重要的關鍵因素，在此經由DSC量測，不同粒徑粉體，在熱穩定性所造成的效應為何，結果顯示，不同的粒徑並不會增加或減少熱量的釋放，其初始溫度與裂解溫度分別為471與528 K，放熱量為95 J g-1。由四點探針導電度計及比表面積分析結果發現，粉體粒徑小樣品具有較高的導電度與比表面積。粉體粒徑的縮小提升材料導電度至10-4 S cm-1左右，且不管是商用或實驗室自行合成材料，小粒徑粉體的比表面積約是大粒徑粉體兩倍。 LiFePO4 cathode materials with distinct particle sizes were prepared by a planetary ball-milling method. The effect of particle size on the morphology, thermal stability and electrochemical performance of LiFePO4 cathode materials was investigated. The ball-milling method decreased particle size, thereby reducing the length of diffusion and improving the reversibility of the lithium ion intercalation/deintercalation. It is worth noting that the small particle sample prepared using malonic acid as a carbon source achieved a high capacity of 160 mAh g-1 at a 0.1 C-rate and had a very flat capacity curve. However, the large particle sample decayed more dramatically in capacity than the small particle size samples at high C- rates. The improvement in electrode performance was mainly due to the nanometric fine particles, the small size distribution of the product, and the increase in electronic conductivity as a result of carbon coating. The structure and morphology of LiFePO4 samples were characterized with XRD, FE-SEM, TEM, EDS, and DSC techniques.
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