磷酸鐵鋰介紹

鋰離子電池作為一種高性能的二次綠色電池，具有高電壓、高能量密度（包括體積能量、質(zhì)量比能量）、低的自放電率、寬的使用溫度范圍、長(zhǎng)的循環(huán)壽命、環(huán)保、無(wú)記憶效應(yīng)以及可以大電流充放電等優(yōu)點(diǎn)。鋰離子電池性能的改善，很大程度上決定于電極材料性能的改善，尤其是正極材料。目前研究最廣泛的正極材料有LiCoO2、LiNiO2以及LiMn2O4等，但由于鈷有毒且資源有限，鎳酸鋰制備困難，錳酸鋰的循環(huán)性能和高溫性能差等因素，制約了它們的應(yīng)用和發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)新型高能廉價(jià)的正極材料對(duì)鋰離子電池的發(fā)展至關(guān)重要。

1997年，Padhi等報(bào)道了具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰（LiFePO4）能夠可逆地嵌脫鋰，且具有比容量高、循環(huán)性能好、電化學(xué)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，是首選的新一代綠色正極材料，特別是作為動(dòng)力鋰離子電池材料。磷酸鐵鋰的發(fā)現(xiàn)引起了國(guó)內(nèi)外電化學(xué)界不少研究人員的關(guān)注，近幾年，隨著鋰電池的越來(lái)越廣的應(yīng)用，對(duì)LiFePO4的研究越來(lái)越多。

磷酸鐵鋰的結(jié)構(gòu)

磷酸鐵鋰（LiFePO4）具有橄欖石結(jié)構(gòu)，為稍微扭曲的六方密堆積，其空間群是Pmnb型，晶型結(jié)構(gòu)

LiFePO4由FeO6八面體和PO4四面體構(gòu)成空間骨架，P占據(jù)四面體位置，而Fe和Li則填充在八面體空隙中，其中Fe占據(jù)共角的八面體位置，Li則占據(jù)共邊的八面體位置。晶格一個(gè)FeO6八面體與兩個(gè)FeO6八面體和一個(gè)PO4四面體共邊，而PO4四面體則與一個(gè)FeO6八面體和兩個(gè)LiO6八面體共邊。由于近乎六方堆積的氧原子的緊密排列，使得鋰離子只能在二維平面上進(jìn)行脫嵌，也因此具有了相對(duì)較高的理論密度（3.6g/cm3）。在此結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e2+/Fe3+相對(duì)金屬鋰的電壓為3.4V，材料的理論比容量為170mA·h/g。在材料中形成較強(qiáng)的P-O-M共價(jià)鍵，極大地穩(wěn)定了材料的晶體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致材料具有很高的熱穩(wěn)定性。

Wang等對(duì)LiFePO4的電化學(xué)性能做了詳細(xì)的分析，圖2.2是LiFePO4的循環(huán)載荷伏安圖，在C-V圖中形成兩個(gè)峰，在陽(yáng)極掃描時(shí)Li+從LixFePO4結(jié)構(gòu)中脫出，在3.52V形成氧化峰；當(dāng)在4.0～3.0掃描時(shí)Li+嵌入到LixFePO4結(jié)構(gòu)中，相應(yīng)的在3.32V形成還原峰；C-V曲線(xiàn)中的氧化還原峰表明在LiFePO4電極上發(fā)生著可逆的鋰離子嵌脫反應(yīng)。

磷酸鐵鋰的性能

1）高能量密度

其理論比容量為170mAh/g，產(chǎn)品實(shí)際比容量可超過(guò)140mAh/g（0.2C，25°C）；

2）安全性

是目前最安全的鋰離子電池正極材料；不含任何對(duì)人體有害的重金屬元素；

3）壽命長(zhǎng)

在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上；（原因：磷酸鐵鋰晶格穩(wěn)定性好，鋰離子的嵌入和脫出對(duì)晶格的影響不大，故而具有良好的可逆性。存在的不足是電極離子傳導(dǎo)率差，不適宜大電流的充放電，在應(yīng)用方面受阻。解決方法：在電極表面包覆導(dǎo)電材料、摻雜進(jìn)行電極改性。）

磷酸鐵鋰電池的使用壽命與其使用溫度息息相關(guān)，使用溫度過(guò)低或者過(guò)高在其充放電過(guò)程及使用過(guò)程均產(chǎn)生極大不良隱患。尤其在中國(guó)北方電動(dòng)汽車(chē)上使用，在秋冬季磷酸鐵鋰電池?zé)o法正常供電或供電電源過(guò)低，需調(diào)節(jié)其工作環(huán)境溫度保持其性能。目前，國(guó)內(nèi)解決磷酸鐵鋰電池恒溫工作環(huán)境需考慮空間限制問(wèn)題，較普遍的解決方案是使用氣凝膠氈作為保溫層。

4）充電性能

磷酸鐵鋰正極材料的鋰電池，可以使用大倍率充電，最快可在1小時(shí)內(nèi)將電池充滿(mǎn)。