【摘要】 本研究通过水热法合成碳包覆LiFePO4正极材料，揭示葡萄糖添加量对颗粒形貌、电荷传输及比容量的影响规律。实验证实10%碳源添加可优化粒径分布，提升电池循环稳定性与倍率性能。

一、碳源添加对材料形貌的影响机制

通过扫描电镜(SEM)分析发现，葡萄糖作为碳源可显著改善LiFePO4颗粒形貌。图1A显示未添加碳源时，颗粒呈不规则形状且尺寸差异明显（最大达700nm），石墨烯层与活性物质结合松散。图1B则展示添加5%葡萄糖后，颗粒尺寸缩小至500nm且呈现规则球形结构。

未添加碳源的磷酸铁锂材料扫描电镜图，显示不规则大颗粒形貌

图1 LiFePO4/C-0、LiFePO4/C-5、LiFePO4/C-10和LiFePO4/C-20的SEM图像。

 

二、碳包覆工艺的关键作用

1.粒径控制原理：水热反应中熔融葡萄糖均匀附着前驱体表面，碳分解形成的连续涂层可有效抑制颗粒生长。当葡萄糖添加量增至10%时，颗粒尺寸进一步缩小至300-400nm范围。

2.电化学性能提升：

  • 比表面积增加30%以上，锂离子扩散距离缩短
  • 电荷转移电阻降低45%（EIS测试数据）
  • 0.2C倍率下比容量达158mAh/g（LiFePO4/C-10样品）

 

三、材料表征与性能验证

图2对比显示不同碳源含量的XRD图谱，所有样品均呈现标准橄榄石结构（JCPDS 40-1499），未检测到杂质相，证实水热法工艺的稳定性。

 

四种碳包覆磷酸铁锂材料的X射线衍射对比图谱

图2 LiFePO4/C-0、LiFePO4/C-5、LiFePO4/C-10和LiFePO4/C-20的XRD图像。

 

四、工艺优化方向

1.葡萄糖最佳添加量为10wt%，此时获得：

  • 最小电荷转移阻抗（EIS测试32Ω）
  • 最高循环稳定性（100次循环容量保持率97.2%）

2.碳层厚度控制在2-5nm时可兼顾导电性与锂离子传输效率

 

1.&nbspZhang, P.; Liu, D., Effect of organic carbon coating prepared by hydrothermal method on performance of lithium iron phosphate battery. Alexandria Engineering Journal 2023, 80, 1-7.

 

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