导读
基于磷酸铁锂（LiFePO4）和活性炭（AC）两种单体材料成功构建了磷酸铁锂/活性炭（LiFePO4/AC）复合正极。进一步，通过优化LiFePO4/AC复合电极中两种单体材料的质量比、选择亚微米尺寸的石墨为负极材料, 组装了基于“LiFePO4+AC/石墨”体系的电化学储能器件（锂离子电容器），同时制备了AC/AC超级电容器作为参照。研究表明，不同类型黏结剂对AC电极的电容特性影响非常显著，其中LA133水性黏结剂的电极性能优于油性黏结剂的；此外，制备的LiFePO4/AC复合正极表现出了电容和电池的双重特性，且复合电极的构建有利于锂离子的嵌入和脱出。复合正极中LiFePO4含量为40%（质量分数）时，构建的锂离子电容器比能量为AC/AC超级电容器的4倍（约40 W·h/kg，以活性材料质量计），可实现10 C快速充放电；5000次循环后，锂离子电容器和AC/AC超级电容器容量保持率相近，约为初始容量的75%。
文章目录及图文导读
图1 (LiFePO4+AC)/石墨锂离子电容器工作原理图
1 实验材料和方法
1.1 实验材料
1.2 实验仪器
1.3 电极制备及组装
2 实验结果与讨论
2.1 形貌结构分析
图2 不同石墨负极材料的SEM图（a）FSN-1和（b）CP-5 （插图为其充放电曲线）
图3 不同正极材料的SEM图（a）AC；（b）LAC20；（c）LAC40；（d）LAC60；（e）LAC80；（f）LFP
2.2 电化学表征
图4 不同复合材料的XRD曲线（a）AC；（b）LAC20；（c）LAC40；（d）LAC60；（e）LAC80；（f）LFP
图5 不同黏结剂制备扣式AC/AC电容器的CV曲线（扫描速度：50 mV/s）：LA133（黑），PVDF-HSV900（红），PVDF-5130（蓝）
图6 不同扣式电池的CV曲线（a）AC/Li和（b）LAC20/Li（黑）；LAC40/Li（红）；LFP/Li（蓝）
图7 不同电极的扣式电池性能（a）1 C倍率下充放电曲线；（b）电极克容量（1 C）随LFP含量变化曲线；（c、d）不同倍率下的容量及其保持率
图8 LAC40/graphite锂离子电容器对比AC/AC超级电容器（a、b）不同倍率充放电曲线；（c）Ragone图；（d）10C倍率下循环寿命曲线
3 结论
本工作通过对几种锂离子电池正极商用黏结剂的比较表明，水性较油性黏结剂有利于AC电容特性的体现，特别是LA133水性黏结剂最为明显。通过构建兼具双电层行为和氧化还原特性的LiFePO4/AC复合正极，比较了不同质量比对电极性能的影响，发现LiFePO4占比40%时的复合电极具有较高的比容量和良好的容量保持率。将优化后的复合正极与亚微米尺寸的石墨负极组装成锂离子电容器，能量密度约为AC/AC超级电容器的4倍，二者在10 C充放电倍率下的循环寿命相当5000圈后保持约75%。本工作研究所用原材料均为市场化产品，对高性能锂离子电容器的研制和产业化具有参考意义。
