纳米磷酸铁锂的制备及电化学性能探究

谭新乔

(湘潭电化集团有限公司 湖南 湘潭 411100)

引言

磷酸铁锂(LiFePO4)是新型的锂离子电池正极材料，体现出安全性高、循环性能优良、热稳定性突出、理论比容量高、不包含有毒物质等优势，但是其也表现出一些不足，比如锂离子扩散速度慢、电导率低。一般将正极材料由磷酸铁锂制成的锂离子电池称为磷酸铁锂电池。通过对当前市场上的金属价格进行分析，发现使用磷酸铁锂做正极材料的电池更便宜一些，故而此类电池开始在市场上流行起来。

一、磷酸铁锂电池的优势

(一)能量密度高

磷酸铁锂电池具有较高的能量密度，据调查研究显示，经过我国技术专家的深化研究，截止到 2018 年，采用基本技术量产的磷酸铁锂电池单体能量密度基本稳定在 160Wh/kg 左右，若是借助更加先进的技术工艺支持，单体能量密度甚至可以达到 175Wh/kg-180Wh/kg。

(二)安全性较好

磷酸铁锂的化学表达式是 LiFePO4，其中“P-O”键相对稳固，不论是长期处于高温环境下，还是发生过充现象，都不会出现结构崩塌问题，故而磷酸铁锂电池具有较强的安全性与稳定性。

(三)使用寿命长

针对这一优点，磷酸铁锂电池主要表现再循环寿命相对较长，据调查数据显示，普通磷酸铁锂电池的循环次数普遍在 4000 次左右，有些性能相对优良的型号循环次数能够达到 6000 次，远高于三元电池(2000 次)。

(四)绿色且环保

通过对磷酸铁锂电池的构成进行分析，发现该类电池不含重金属，稀有金属含量较少，在毒性验证方面通过了 SGS 认证，在污染性方面符合 PoHS 规定，属于无毒无污染的节能环保型电池。在可持续发展的绿色理念要求下，我国将研发、优化、生产磷酸铁锂电池列入“863”高科技发展计划，受到国家的大力支持。

二、试验

(一)材料与试剂

分析纯试剂：氢氧化锂、硫酸亚铁、蔗糖、磷酸、氨水。

(二)试验设施和剖析仪器

电池性能检测装置；循环水式真空泵；管式气氛炉；电子分析天平；真空手套箱；真空干燥箱；加热磁力搅拌器；加热磁力搅拌器

(三)试验方法

(1)磷酸铁锂前驱体的制备

(2)碳包覆磷酸铁锂的制备

(3)正极极片的制备

(4)电池组装

(5)产品性能剖析检验和表征

三、结果与讨论

(一)前驱体与各种焙烧温度环境下产物的 XRD 剖析

使用两种不同规格的标准卡片(01-083-2453、01-076-0556)以对照的方式对前驱体加以剖析，由结果可知前驱体是磷酸锂与磷酸亚铁的拌合物。四个样品的特征峰皆较为突出，和磷酸铁锂标准图谱(81-1173)大体相同，空间群为 pnma，并且不具有显著的杂质峰。650摄氏度与700摄氏度煅烧的样品的衍射峰硬度不如750摄氏度锻炼的高，750摄氏度煅烧的峰形更为尖利，证明这2各样品在结晶度方面逊色于750煅烧的样品。而伴随煅烧温度的增高，800摄氏度煅烧的样品出现了较小程度的杂质峰，这或许是煅烧温度太高造成的。

(二)不同焙烧温度条件下产物的形貌分析

图 1为不同焙烧温度下制备包覆碳的磷酸铁锂的形貌图。

图 1 不同焙烧温度下制备的磷酸铁锂的形貌图

由图 1 可以看出，4 个样品的形貌均为棒状，650℃、700℃和 750℃烧结的一次粒径相近，均在 200nm 左右，800℃烧结的磷酸铁锂团聚严重，一次粒径增加到 500～1000nm。从图 1还可以看出，700℃和 750℃焙烧的样品的晶型结构较好，颗粒表面光滑，碳包覆较均匀，而 650℃烧结的样品颗粒表面较粗糙，结晶不完整，而 800℃烧结的磷酸铁锂样品颗粒表面存在絮状物的碳团，导致碳包覆不均匀。说明磷酸铁锂的烧结温度需要控制在合理的温度范围，控制颗粒的大小、结晶度和碳包覆都尤为重要。

(三)不同焙烧温度条件下产物的电化学性能测试

图2 是不同焙烧温度下制备包覆碳的磷酸铁锂在0.1C 倍率下的首次充放电曲线图。

图 2 在 0.1C 倍率下不一样焙烧温度下 LiFePO4/C 的充放电

由上图可以知道，这四种不同煅烧温度烧制的样品皆具有十分稳定的充电和放电平台，平台的电压皆在3.4V上下。在这之中，640摄氏度烧制的样品放点比容量减小，为每克149.4mAh，这主要是由于煅烧温度太低，产物包含一定数量的杂质亦或磷酸铁锂的结晶度较低，进而对电化学性能产生了不良影响。在700摄氏度和750摄氏度的烧制品皆体现出良好的电化学性能，700摄氏度烧制的样品的充电比容量为每克158.4mAh，而相应的放电比容量为每克 155.2mAh，750摄氏度烧制的样品的充电比容量是每克159.0mAh，相应的放电比容量是每克 158.5mAh。和750摄氏度烧制的样品比较，800摄氏度烧制样品的电化学功能有所减弱，在 0.1C 倍率下的放电比容量是每克 151.3mAh，这主要是由于，800摄氏度煅烧温度太高致使产物出现了较大程度的集聚问题，致使电力电导率下降。从这可以知道，煅烧温度在很大程度上影响着烧制产品的电化学性能，应当将煅烧温度确定为750摄氏度。

四、结束语

应用共沉淀法顺利得到前驱体 Fe3(PO4)2·8H2O 与 Li3PO4，将浓度为7%的蔗糖杂混后，对充满高纯氩气的管式炉内焙烧为结晶优良、匀称、纯相的碳包覆磷酸铁锂材料。对各种煅烧温度下所获得的磷酸铁锂样品加以电化学性能检测，最后表明，750摄氏度烧制的样品外形架构达到完美状态，其电化学性能最佳。