微波法制备锂离子电池正极材料LiFePO4的性能研究

王守伟，苏雪花，夏德强

(兰州石化职业技术学院 石油化学工程学院，甘肃 兰州 730060)

当今，锂离子电池占据了电池的市场，而用作锂离子电池正极材料的LiFePO4更是以其性能、价格、安全和环境的优势独占鳌头 ，成为了当前研究的热点之一[1]。磷酸亚铁锂做为锂离子电池正极材料，具有来源广泛、价格便宜、比能量高、热稳定性好等很多优点，现在对它的研究比较普遍。

1 LiFePO4存在的问题及其解决途径

通过之前研究发现发现，当LiFePO4充放电电流比较小的时侯，而且可以达到很高的比容量，当电流比较大的时，首次循环后就会有20%左右的容量衰减[2]。

Andersson提出的半径模型(图1a)和马赛克模型(图1b)对放电容量损失的原因加以解释。在充电过程中，锂离子和电子向外移动，但是锂离子和电子脱出不完全，使得有一部分LiFePO4还未转化。而在放电过程中，锂离子重新进入FePO4区域，并且不活泼的LiFePO4表面包覆一层无定形的物质，使LiFePO4不能参加反应[3]。

图1 锂在LiFePO4颗粒中的脱、嵌示意图 (a)半径模型，(b)马赛克模型

2 加热时间对磷酸亚铁锂(LiFePO4)结构的影响

本实验采用家用微波炉为反应器，反应体系的温度无法控制，因此只能以加热时间及加热功率作为参考因素。为了研究合成条件对样品结构的影响，我们选择加热功率为320W，480W；加热时间选择7min，9min，11min，并分别绘出所得样品的XRD衍射图，见图2。

图2 320W时不同加热时间制备的LiFePO4 XRD谱图

由图2可以看出，加热时间分别为7min，9min，11min的谱图中主相LiFePO4没用生成，这可能是反应时间短，功率低的原因。而功率为640W时制备的样品成砖红色，经过初步鉴定，样品中Fe2+的含量很少，因此没有进行XRD测试。

图3 480W时不同加热时间制备的LiFePO4 XRD谱图

3 微波法制备的磷酸亚铁锂的电化学性能

为了考察合成条件对样品电化学性能的影响，还做了恒电流充放电试验实验，结果见图4。

图4 微波法合成的LiFePO4的首次放电曲线

通过图4可以看出，当电压在3.4～3.3V左右时，会出现一个相对比较平稳的放电平台，由此说明对LiFePO4而言它的放电有两个相存在，而且放电容量达到了85mAh/g左右。与高温固相反应所得样品相比较，放电容量比较低，这是因为包覆后的材料中含有比较多的杂质，主要成分含量比较少，使得放电容量较低。

为了考察微波合成法制备的磷酸亚铁锂在室温下的循环性能测试，本实验采用CR2025型扣式电池、LK2000B型电池充放电系统测试[5]。实验结果如图5。

由图5可以明显的看出，经过掺杂及包覆后的正极材料，尽管首次放电容量相对较低，但是具有良好的循环性能。循环40次后，放电容量会变为82.5mAh/g，此时放电容量只有3%的衰减量，这可能是因为在磷酸亚铁锂进行体相掺杂及表面包覆的原因。

图5 微波法合成的LiFePO4循环性能曲线

4 结论

(1)采用微波加热法制备的掺杂及包覆型的锂离子电池正极材料磷酸亚铁锂首次放电容量达到了85mAh/g，并且在40次循环后，放电容量衰减了3%，这表现了微波加热法是一种比较有前途的制备方法。

(2)微波加热法存在着实验温度无法控制、加热时间长后温度聚升，导致Fe2+被氧化生成Fe3+，最终影响其放电容量等问题，具体解决办法尚需进一步研究。