【锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展】 锂离子电池正极材料
时间：2020-02-29 07:19:48 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：橄榄石型 LiFePO4 作为锂离子电池的一种新型正极材料，具有原料来源广泛、价格低廉、对环境友好、理论容量高、放电电压稳定、热稳定性和循环性好等优点，是下一代锂离子电池正极材料有力的竞争者。本文介绍了 LiFePO4 正极材料的结构与性能以及存在的问题；综述了制备 LiFePO4 的固相掺杂合成方法；探讨近年来国内外对于改善 LiFePO4 电化学性能所进行的研究工作，并对其发展前景进行了展望。
关键词：锂离子电池 正极材料 磷酸亚铁锂 固相合成法 应用前景
一、应用前景
电池作为一种通过化学反应实现化学能和电能之间相互转换的化学电源装置，在人们的日常生活和各工业领域，尤其是国民经济和国防工业中起着越来越重要的作用。随着技术的不断进步，人们对二次电池的需求量不断增大，种类和使用量随之增加，同时也对化学电源的性能提出了更高的要求。此外，随着社会文明的进步，人们对保护环境的意识和要求日益高涨。因此，呼唤采用“绿色”电池为动力交通工具已迫在眉睫。锂离子电池正是为适应这种需求趋势而诞生的时代产物。作为最新一代绿色高能充电电池，锂离子电池保持了锂电池高比能量密度、高电压、轻质量、宽使用温度范围、无记忆效应和自放电率小等优点，是一种很有前途的二次电池。
近年来，碳负极材料性能不断得到改善和提高，电解质的研究也取得了很大进展。相对而言，作为锂离子电池锂源的正极材料研究较为滞后，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键因素，所以研究和开发高性能的正极材料已成为锂离子电池发展的关键所在。自70年代开始，科研工作者们为了寻求理想的正极活性物质，已对200多种物质作了尝试，研究结果发现：用橄榄石型的LiFePO4做正极材料的锂离子电池具有成本低、安全性好、电压平台稳定、无环境污染、循环性和热稳定性优良等优点，是下一代锂离子电池正极材料有力的竞争者。
LiFePO4锂离子电池的诸多点决定了它不仅可以应用于我们日常所接触的移动通讯工具，还可能成为现在正迅速发展的交通工具的动力电源。在军事装备和航天应用方面，这种新型电池也被广泛需求着。另外，随着医疗行业的迅速发展，一些高新科学技术也开始融人其中，例如助听器、心脏起搏器等。此外，在地下采油、动力负荷调整、储备能量以及一些微型机电系统、微型传感器、微机械等的工作中，LiFePO4锂离子电池成为理想的候选者，具有广阔的应用前景。
二、国内外研究现状分析
橄榄石型的LiMPO4（M = Fe，Mn，FeyMn1-y，Co，Ni）的研究工作开始于1997年Goodenough等人的开创性工作，其代表材料为LiFePO4。由于在具有橄榄石结构的磷酸盐体系中，所有的氧离子都通过很强的共价键与P5+ 构成稳定的(PO4)3-聚阴离子基团， 因此晶格中的氧不易丢失， 这使得该材料具有很好的安全性。但LiFePO4也存在致命的缺点，就是LiFePO4的电子导电率低和锂离子扩散速度慢,振实密度小，导致体积能量密度小，影响了该材料的实用化。采用不同方法来提高材料的导电率是LiFePO4的主要研究方向。目前用来提高LiFePO4电化学性能的方法主要有三种：（1）改进合成方法得到颗粒小且分布均匀的产物；（2）掺杂碳或者金属粉末等导电剂；（3）掺杂金属离子。由于掺杂金属离子能从本质上提高材料的导电性，所以成为研究的热点。LiFePO4有Li(M1)和 Fe(M2)两个金属位，可使用金属离子对其改性。
Yamada等人通过一系列研究表明，橄榄石型固溶体Li(M nyFe1-y)PO4同样属于正交晶系，Pmnb空间群。并且Mn2+掺杂可以提高材料的电导率，使LiFe1-yM nyPO4作为锂离子电池正极材料成为可能。
Tatsuya等人采用固相反应法制备了Mn掺杂的LiFe0.95Mn0.05PO4，其首次放电容量达130mAh/g，经20次循环后平均每次循环的容量并没有衰减。而相同条件下制得的纯相LiFePO4，其首次放电容量达120mAh/g，经20次循环后容量衰减为95mAh/g，可见少量Mn掺杂使LiFePO4具有更良好的放电容量和循环性能。
Wang等人采用固相反应法，制备了Fe位掺杂的正极材料LiFe0.9Ni0.1PO4。在0.2C倍率放电时，其首次放电容量为140m Ah/g；放电倍率为10C 时，其容量仍可达82mAh/g。电化学性能测试表明，LiFe0.9Ni0.1PO4具有良好的高倍率放电性能，当放电倍率从8C增高到27C 时，其放电容量仅减少了20mAh/g。
在Barker等人合成的LiFe1-xMgxPO4中，Mg2+占据了Fe2+位，当x为0.1时，所得样品的电化学性能大大提高了。
文衍宣、郑绵平研究了V掺杂量对LiFePO4性能的影响，研究结果表明：LiV0.05Fe0.95PO4具有比LiFePO4更好的电化学性能，用80mA/g的电流进行充放电时，首次放电容量为130.429 mAh/g，循环20次后为131.196 mAh/g。
其他掺杂还有Al,W ,Ti 以及稀有金属元素Y, Nd等，但是这些掺杂都有可能占据LiFePO4中Li的位置或者Fe的位置。
总之，对于LiFePO4进行金属离子掺杂改性的研究还不很成熟，其提高LiFePO4电导率的机理还未定论，但掺杂后明显提高了电池材料的电导率，极大地降低了电极的极化，提高了电池的放电性能和循环性能，特别是在大电流下的充放电性能，却是不争的事实。
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作者简介： 张丽, 女, 28岁, 硕士研究生; 研究方向: 锂离子电池正极材料。
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