LiFePO4 spray drying scale-up and carbon-cage for improved cyclability

材料科学 悬挂(拓扑) 化学工程 煅烧 纳米颗粒 表观粘度 聚乙烯醇 碳纤维 烧结 粒径 复合材料 喷雾干燥 流变学 纳米技术 化学 有机化学 纯数学 催化作用 工程类 复合数 数学 同伦
作者
Marco G. Rigamonti,Marc Chavalle,He Li,Philippe Antitomaso,Lida Hadidi,M. Stucchi,Federico Galli,H.R. Khan,Mickaël Dollé,Daria C. Boffito,Gregory S. Patience
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:462: 228103-228103 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2020.228103
摘要

The growing market for electrical vehicles requires inexpensive, long-lasting batteries. LiFePO4 (LFP) melt-synthesized from ore concentrate fits this role, but the manufacturing process requires additional steps that includes grinding large ingots into a nanoparticle suspension followed by a dessication step. Spray drying, rather than tray drying, creates a mesoporous powder that enhances wettability. Adding lactose and high-Mw polyvinyl alcohol (PVA) to the suspension of nanostructures followed by pyrolysis, creates a carbon-cage that interconnects the cathode nanoparticles, imparting better capacity (LiFePO4/C: 161 mA h g−1 at 0.1C), discharge rate (flat plateau, 145 mA h g−1 at 5C), and cyclability (91% capacity retention after 750 cycles at 1C). Particle size affects battery stability; PVA increases the suspension's viscosity and alters the powder morphology, from spherical to hollow particles. A model describes the non-Newtonian suspension's rheology changing: shear, temperature, LFP and PVA loading. Carbon precursors prevent the nanoparticles from sintering during calcination but lactose gasifies 50% of the carbon, according to the chemical and allotropic composition measurements (CS analyzer, XPS, and Raman). The carbon-cage imparts microporosity and we correlate the SEM and TEM powder's morphology with N2 physisorption porosimetry. Ultrasonication of the suspension fragments the PVA chain, which is detrimental to the final cathode performance.
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