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如何提高磷酸铁锂电池材料的性能

碳涂层还是纳米涂层?磷酸铁锂材料的改性路径

磷酸铁锂正极材料的理论比容量为170mA/g,电压平台为3.2V。具有原料来源丰富、无毒、环保、安全性高、比容量高、循环性能稳定、价格低廉等优点。它被认为是一种理想的锂离子动力电池正极材料。然而,由于其自身结构的限制,以LiFePO4为正极材料的锂离子电池导电性差,锂离子扩散速率慢,低温条件下放电性能差,制约了大规模工业化生产磷酸铁锂阴极材料

磷酸铁锂的基本结构


磷酸铁锂正极材料具有正交的橄榄石结构,pnma空间群,如图所示。LiFePO4结构在c轴方向呈链状,一个PO4四面体与一个FeO6八面体和两个LiO6八面体共边,从而形成三维网络结构。


在结构上,PO4四面体位于FeO6层之间,在一定程度上阻碍了锂离子的扩散。此外,共同顶点的FeO6八面体具有相对较低的电子导电性。这使得磷酸铁锂只能以较小的放电速率充放电,在大放电速率条件下,内部的锂离子来不及向外移动,电化学极化很大。

图1 LiFePO4晶体结构示意图

磷酸铁锂材料的改性

1.掺杂的方法

主要是指一些导电金属离子在磷酸铁锂晶格的正离子位置掺杂,改变了晶体晶粒的大小,造成材料的晶格缺陷,从而提高了晶粒内电子的导电性和锂离子的扩散。从而达到提高LiFePO4材料性能的目的。目前,掺杂的金属离子主要有Ti4+、Co2+、Zn2+、Mn2+、La2+、V3+、Mg2+等。掺杂量很重要,过量的掺杂会引起材料内部结构的变化,从而改变材料的性能。

2.碳涂层

一是加碳粉将原料按一定比例,均匀混合后,在高温还原气氛下进行反应;

(2)另一种是在LiFePO4前驱体中加入有机化合物,在高温还原性气氛中反应,将有机物热解形成碳,在形成LiFePO4的同时在其表面形成碳涂层。通常所选择的有机物中只含有碳、氢、氧三种元素,以确保不混入其他杂质原子。

3.材料nanocrystallization

通过制备纳米级的粒子,减小锂离子的扩散距离,是提高锂离子扩散速率的最佳方法。目前,降低LiFePO4颗粒尺寸的方法主要有力学方法球磨机通过控制焙烧温度,利用具有高比表面积的超细导电颗粒作为成核促进剂,在合成过程中使用均匀的前驱体,以及碳涂层来限制晶体生长。

总结

目前,随着LiFePO4行业的发展,LiFePO4改性技术也在不断发展,改性方法也不单一。针对LiFePO4的各种性能和结构缺陷,结合了材料纳米化、碳等多种改性方法。采用涂层和离子掺杂相结合的方法进行改性研究可以获得综合的电化学性能。

澳特电子科技有限公司拥有10年的锂离子电池行业经验。我们提供全方位的电池设备而材料、实验室研究线可根据客户要求提供。


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