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1、正极材料LiFePO4充放电原理及改性研究摘要 综述了正极材料LiFePO4的充放电原理,针对其堆积密度低和电导率差的问题,分别从包覆、掺杂、磷铁相导电网络和微观结构与形态4种改性途径出发,通过详细地分析和比较,得出以制备具有纳米孔的微米级粒子为最终目标的合成路线。最后,简要分析和展望了LiFePO4的产业化现状及合成路径。关键词 锂离子电池 正极材料 磷酸铁锂 电导率ModificationProgressofLiFePO4asCathodeMaterialsforLithiumIonBatteriesandItsCharge2Discharg
2、ePrinciplesAbstract Thecharge2dischargeprinciplesofLiFePO4ascathodematerialforlithiumionbatteriesarebrieflyreviewed.Inaccordancewiththelowbulkdensityandpoorelectricalconductivity,aroutetopreparemicro2particleswithnano2porousisproposedthroughdetailedanalysiscomparisonofthemodif
3、icationmethods,includingcoatings,doping,Fe2Pphaseconductivitynetwork,controllingmicrostructureandmorphology.Inaddition,theindustrializa2tionsituationandsynthesisroutesofLiFePO4ascathodematerialarebrieflyanalyzedandtheprospectsarediscussed.Keywords Li2ionbatteries,cathodemateri
4、al,LiFePO4,conductivity 锂电池以其可再次充放电、轻巧、工作电压高(是镍镉电池、镍氢电池的3倍)、比能量大(可达165W・h/kg,是镍氢电池的3倍)等优点,已成为动力车载电池发展的最主要方向[1]。而其中正极材料决定了锂离子电池的性能,也是引发锂离子动力电池安全隐患的主要原因。表1是目前研究和应用比较多的几种锂离子电池正极材料[2-6]。LiCoO2成本高、毒性大、资源贫乏、循环性差及安全隐患较大;LiNiO2成本高、毒性大、热稳定性差;LiMn2O4资源丰富、价格便宜、无毒,使用比较普遍,但其容量较低,高温稳定性和循环稳定
5、性较差;而LiFePO4无毒、价格低廉、循环性能和高温稳定性优良,并具有较高理论容量,已成为高能动力电池的最佳新型正极材料[7,8]。因此对LiFePO4材料进行深入研究并积极推进其产业化步伐,是解决电动汽车用长寿命、安全、低成本锂离子电池的关键。“磷酸铁锂正极材料规模化生产和应用关键技术研究”已列入国家高技术研究发展计划(863计划)新材料技术领域重点支持项目,该类材料的快速产业化不仅具有很大的经济效益,还具有深远的战略意义,有利于我国乃至全球经济的可持续发展。1 LiFePO4的充放电原理图1是LiFePO4充放电过程中的相变过程[9-11]。图
6、1 磷酸亚铁锂充放电过程的相变Fig.1 PhasechangeinLiFePO4室温下,LiFePO4的脱嵌Li行为实际是形成FePO4和LiFePO4的两相界面的两相反应过程。充电时,Li+从FeO6层面间迁移出来,经过电解液进入负极,发生Fe2+向Fe3+转变的氧化反应,为保持电荷平衡,电子从外电路到达负极;放电时,发生还原反应,与上述过程相反,即充电:LiFePO4-xLi++xe-xFePO4+(1-x)LiFePO4放电:FePO4+xLi++xe-xLiFePO4+(1-x)FePO4表1 几种锂离子电池正极材料性能比较Table1 P
7、erformanceofthecathodematerialsforlithium2ionbatteries性能/正极材料LiCoO2LiNiO2LiMn2O4LiFePO4振实密度/(g/cm3)2.8～3.02.0～2.32.2～2.41.0～1.4比表面积/(m2/g)0.4～0.60.2～0.40.4～0.812～20理论容量/(mA・h/g)275274148170工作容量/(mA・h/g)135～140190～21090～120140～165电压E/V3.5～4.02.5～4.23～43.4电导率/(S/cm)～10-3～10-2～10-
8、5～10-9循环寿命/次≥300≥800≥500≥2000资源贫乏贫乏丰富丰富成本较高高低低环保性CoNi无
