中國粉體網(wǎng)訊  鋰離子電池是20世紀90年代發(fā)展起來的高容量可充電電池。鋰離子電池正極材料主要有鈷酸鋰、 錳酸鋰、鎳錳鈷三元材料及磷酸鐵鋰等。磷酸鐵鋰(LiFePO₄)的安全性高、循環(huán)性能穩(wěn)定、價格低廉、放電平臺平穩(wěn)、 環(huán)境友好，被普遍認為是最有前途的鋰離子電池正極材料，尤其是動力鋰離子電池正極材料，成為目前研發(fā)的熱點。

一、磷酸鐵鋰電池充放電機理

磷酸鐵鋰是一種橄欖石結(jié)構(gòu)的聚陰離子磷酸鹽，其充放電反應是在磷酸鐵鋰和磷酸鐵兩相間進行的。充電時，Li⁺ 從LiFePO₄中脫離出來，F(xiàn)e²⁺ 失去一個電子變成 Fe³⁺；放電時，Li⁺ 嵌入磷酸鐵中變成 LiFePO₄ 。

充電反應：

LiFePO₄ -xLi⁺ - xe^- → xFePO₄ + (1-x)LiFePO₄

放電反應：

FePO₄ + xLi⁺ + xe^- → xLiFePO₄ + (1-x)FePO₄

磷酸鐵鋰的缺點

二、磷酸鐵鋰的改性

要解決磷酸鐵鋰電導率低等問題，最好的辦法就是對磷酸鐵鋰進行改性處理。改性的方法包括摻雜導電碳或在磷酸鐵鋰顆粒表面包覆碳、 金屬包覆、金屬離子摻雜和粒徑控制等多種方法。

1. 表面包覆改性

在材料表面包覆導電材料以改善材料的導電性能。通過表面包覆改性不僅提高了材料粒子間的電子導電率，減少電池的極化，而且還為磷酸鐵鋰正極材料提供了電子隧道，補償Li+在嵌脫過程中的電荷平衡。常用的包覆材料有碳和金屬粉末。

1.1碳包覆技術(shù)

 ①原料混合式加入

直接加入碳或熱解后能轉(zhuǎn)變成碳的物質(zhì)：石墨、炭黑、乙炔黑、石墨烯、葡萄糖、蔗糖、白糖、β-環(huán)糊精、檸檬酸、聚乙烯、聚乙烯醇等。

 ②燒結(jié)結(jié)束時加入

在磷酸鐵鋰燒結(jié)結(jié)束后的降溫階段對其噴灑甲醇，甲醇受熱分解碳化，在磷酸鐵鋰表面形成碳膜。

由于碳具有良好的導電性及價格廉價，因此，目前有很多學者采用表面包覆碳的方法來對磷酸鐵鋰正極材料經(jīng)行改性研究。碳包覆磷酸鐵鋰能夠提高其導電性能，但會降低材料的振實密度，導致材料的體積比容量下降。

1.2金屬包覆技術(shù)

 ①利用銀鏡反應在磷酸鐵鋰表面鍍銀。

 ③直接在混料時加入銀或銅的顆粒。

金屬粉末的導電性較好，在磷酸鐵鋰材料表面包覆金屬粒子可提高材料的導電性，減小顆粒之間的阻抗，從而提高材料的比容量。

1.3導電有機物包覆技術(shù)

 ①在磷酸鐵鋰的表面聚合聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等導電有機物。

通過表面包覆碳或金屬粉末等來制備磷酸鐵鋰復合材料只能改善磷酸鐵鋰活性顆粒間的導電性，并不能夠改善磷酸鐵鋰顆粒內(nèi)部的導電性。研究表明：只有當顆粒直徑小于200nm時，表面包覆導電材料的磷酸鐵鋰才具有較好的大電流放電性能和高容量的充放電性能。因此，為了改善磷酸鐵鋰顆粒內(nèi)部的導電性和提高鋰離子的擴桑速率，人們開始對其進行摻雜研究。

2.摻雜改性

近年來，磷酸鐵鋰摻雜技術(shù)在我國得到高速發(fā)展，申請了大量的專利技術(shù)。磷酸鐵鋰的摻雜可以再勁歌中的鋰位、磷位、氧位、鐵位中一個或多個母體位進行，同時摻雜一種或多種元素。摻雜提高了鋰離子擴散速率和導電性能，降低了電池內(nèi)阻�；蛘呤沽姿徼F鋰和磷酸鐵兩相相互轉(zhuǎn)換更加完善，進而提高了材料的循環(huán)性能和倍率性能。

2.1碳摻雜

碳具有優(yōu)良的導電性能和較低的質(zhì)量密度，在磷酸鐵鋰中摻雜少量的碳，一方面可以改善材料的導電性能，另一方面可以降低材料的粒徑尺度。

2.2金屬摻雜

在磷酸鐵鋰中摻雜金屬離子，是提高磷酸鐵鋰顆粒內(nèi)部導電性的有效手段之一。摻雜金屬離子進入晶體后，會造成材料內(nèi)部晶格缺陷，從而在根本上提高材料的導電性能。和碳摻雜或碳包覆相比，金屬離子摻雜不會降低材料的振實密度，有利于提高磷酸鐵鋰電池的能量密度。

3.粒徑控制

減小磷酸鐵鋰的顆粒尺寸有助于縮短充放電過程中鋰離子的擴散路徑，增大鋰離子的擴散速率，提高大電流充放電性能。采用液相化學合成方法(如共沉淀法、溶膠-凝膠法)有利于減小顆粒尺寸。但是粒徑太小會降低材料的振實密度，增大材料的比表面積，不利于電極的加工和電池能量密度的提高。適度控制材料的顆粒尺寸，是優(yōu)化材料綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

三、磷酸鐵鋰的應用

由于磷酸鐵鋰先天性的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定特性，特別是在安全性和循環(huán)性能方面具有無可比擬的優(yōu)勢，所以采用磷酸鐵鋰正極材料的電池可廣泛應用于多個領(lǐng)域。

磷酸鐵鋰材料在各領(lǐng)域中的應用比例

大型電動車輛：公交車、電動汽車、景點游覽車及混合動力車等

輕型電動車：電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等

電動工具：電鉆、電鋸、割草機等

遙控汽車、船、飛機等玩具

太陽能及風力發(fā)電的儲能設(shè)備

UPS及應急燈、警示燈及礦燈

小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等