常州大学任玉荣教授Carbon文章：功能化多孔导电碳涂层改善锂离子电池正极材料磷酸铁锂低温性能

第一作者：刘健

通讯作者：任玉荣

单位：常州大学

锂离子电池凭借着高的理论比容量、长循环寿命、成本低廉和安全性能突出等众多优势而成为最具有实际应用价值和最受市场青睐的储能材料。目前，随着新能源行业的日益兴盛，针对LiFePO₄材料的大规模应用和相应技术的迭代升级使得其在新能源汽车动力电池等相关储能领域占据主导性地位。然而，LiFePO₄材料存在着电子电导率低和离子扩散速率慢的本征缺陷，尽管一些改进措施的提出取得了部分进展，但极低温下锂离子电池的容量退化等问题依然限制了LiFePO₄材料在许多领域的广泛应用。

基于此，来自常州大学的任玉荣教授，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Functionalized porous conductive carbon layer improves the low-temperature performance of LiFePO₄ cathode material for lithium-ion batteries”的研究文章。该文章采用溶胶-凝胶法结合高温固相法制备了一种具有三维多孔结构的新型LFP@NS材料。引入硫脲充当碳源来包覆磷酸铁锂材料，同时，硫脲中的氮和硫元素也可以作为阴离子杂原子掺杂剂融入到碳基体中，通过提供大量的缺陷和活性位点来提高磷酸铁锂材料在低温下的离子扩散动力学，以实现改善低温下的电化学性能。

通过XRD测试发现硫脲的引入不会改变LiFePO₄的晶体结构，Raman、TGA、FT-IR、BET等测试分析了改性后磷酸铁锂材料的石墨化度和碳含量，以及由于其产生的缺陷而形成的多孔结构，有利于提高在低温下锂离子的迁移速率。

磷酸铁锂的微观形貌和相应的晶体结构特征能够通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行表征分析。改性后的LFP@NS-2样品的SEM图谱展现了微观细小的三维多孔结构，且材料形貌均匀分布，能够促进电解质的渗透和离子的扩散，从而产生快速的电化学反应动力学。通过TEM能够发现 LFP@NS-2材料具有清晰明显的晶格条纹。同时，包覆在LFP@NS-2样品表面的碳层厚度经测量在2 nm左右，碳涂层的存在不但可以有效抑制高温烧结时磷酸铁锂晶粒的生长，还能够改善材料的导电性，进而提升磷酸铁锂电化学性能。EDS结果证明了N,S元素均匀分布在磷酸铁锂材料中，表明N,S元素共掺杂到导电碳层中有利于提高LiFePO₄的低温电导率，提高LiFePO₄电池的电化学性能。

通过XPS测试发现在LFP@NS-2样品中存在N和S的特征峰，这表明硫脲分解产生的N和S已经掺杂到碳层之中。最终结果表明，N，S共掺杂碳层可以改变碳材料的结构，引入额外的电子或空穴，从而提高电子输运能力，提高电导率，改善磷酸铁锂低温性能。

改性的LFP@NS-2材料组装的电池在-20 ℃的低温下展现了优异的电化学性能。在0.2 C电流密度下，LFP@NS-2样品展现出了最佳的库伦效率为83.9%，经过100次循环后，LFP@NS-2样品在0.2 C下呈现出了128.3 mAh g^-1的放电比容量和97.8%的容量保持率。在0.2-5 C不同电流密度下的的放电比容量分别为：128.6，113.2，100.3，91.1和64.2 mAh g^-1。为了进一步验证改性的LFP@NS-2材料的实际应用价值，组装了全电池并在低温下进行测试，改性的LFP@NS-2样品在0.2 C(-20 ℃)能够释放出120.1 mAh g^-1的放电比容量和98.49%的容量保持率。而经过改性后LiFePO₄材料克服了低温下离子电导率低和扩散速率小的缺陷，显著地提升了LiFePO₄在低温下的电化学性能。证明了N、S共掺杂碳涂层的形成结合三维孔洞结构的设计改善了LiFePO₄材料在低温下的导电性和离子扩散动力学，从而有利于提升磷酸铁锂电池的放电比容量和倍率性能。

“Functionalized porous conductive carbon layer improves the low-temperature performance of LiFePO₄ cathode material for lithium-ion batteries”

江苏省高校新能源材料与动力电池团队依托“江苏省新能源汽车动力电池制造技术工程研究中心”和“常州新能源研究院”组建，由常州大学任玉荣教授创建并领导。团队主要从事储能材料与能源化学及高能电池的研究，针对钠、锂等无机材料的化学能/电能储存与转化所存在的反应活性低、动力学缓慢、物质输运和电荷传递受限等科学与技术难题，开展能量高效储存与转化探索研究，通过化学、纳米和能源的交叉学科研究，探索使用新材料，来提升能量转化效率与能量储存密度，从而优化电池效能。截至目前，实验室已承担包括区域重点项目、重大研究计划在内的多项国家自然科学基金项目以及其他多项省部级项目。