锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展

LiFePO4因具有高的比容量、良好的循环性、环境友好等特点，成为目前最受关注的锂离子电池正极材料。概述了LiFePO4的结构和电化学性能，介绍了LiFePO4主要的几种制备方法，包括固相法、水热法、微波法。同时阐述了提高LiFePO4电化学性能所做的改性研究，并对该材料的发展方向进行了展望。     

高温还原GO制备LiFePO_4/石墨烯复合正极材料及表征

通过对氧化石墨烯(GO)进行微观调控处理得到少层GO。采用喷雾干燥再高温改性的方法制备LiFePO_4/石墨烯锂离子电池复合正极材料;GO还原后即可得到石墨烯,其优良的导电性可以提高LiFePO_4的电子传输能力。通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电化学测试技术等方法对复合材料的结构、形貌及电化学性能进行表征。石墨烯的复合使材料颗粒间构建空间三维导电网络,提高了电解质/电极材料界面的电荷转移速率,改善了LiFePO_4的电化学性能。电化学测试结果表明,在0.1C时LiFePO_4的放电比容量为155mAh/g,LiFePO_4/石墨烯复合材料的放电比容量为164mAh/g;1C和2C倍率时,LiFePO_4/石墨烯复合材料的放电比容量分别为140,119mAh/g。     

LiFePO_4/graphene锂离子电池复合正极材料的制备与性能

通过溶胶-凝胶烧结法制备了LiFePO4/graphene锂离子电池复合正极材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、循环伏安(CV)以及各种电化学检测技术对合成材料的结构、形貌进行了表征。LiFePO4/graphene复合材料的表面上和其中的LiFePO4微小颗粒之间都有石墨烯,说明石墨烯与LiFePO4已很好地融合在一起,形成了具有三维空间结构的立体导电网络,大大地提高了复合材料的电子导电性能及减少了电荷转移电阻,从而充分发挥了活性材料的全部潜力。电化学测量表明LiFePO4/graphene的电化学性能比LiFePO4/C更好。LiFePO4/graphene具有较高的比容量和优良的大倍率性能,在0.1和5C电流充放时,LiFePO4/graphene的比容量分别为163.81和101.57 mAh/g,而LiFePO4/C仅为146.05和54.67mAh/g。LiFePO4/graphene也具有优良循环性能,0.5C循环100次,容量保持率为98.48%。     

锂离子电池LiFePO4/C复合正极材料掺杂金属离子的制备及改性研究

以碳酸锂、草酸亚铁、磷酸氢二铵、碳酸镁、碳酸锰为原料,葡萄糖为碳源,采用两步球磨高温固相法合成了锂离子电池正极LiMgxFe1-xPO4/C、LiMnxFe1-xPO4/C、LiFe1-x-yMnxMgyPO4/C复合材料。讨论了镁、锰金属离子对LiFePO4/C结构和性能的影响。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线能谱仪等方法研究了镁、锰金属离子掺杂对LiFePO4/C晶体结构和表面形貌的影响;利用电化学方法研究了镁、锰掺杂对LiFePO4/C充放电性能和循环稳定性的影响。结果表明,镁、锰金属离子掺杂合成的LiFePO4/C具有单一的橄榄石结构,颗粒尺寸均匀,具有良好的电化学性能和循环稳定性。掺杂的LiMg0.1Fe0.9PO4/C、LiMn0.1Fe0.9PO4/C、LiFe0.8Mn0.1Mg0.1PO4/C在0.1C下首次放电比容量分别为128.4mAh/g、110.8mAh/g、131.8mAh/g。     

锂离子电池正极材料LiFePO4

一般意义上的电池是由三部分组成的:正极、负极与电解质。对于锂离子电池来讲,锂离子作为电荷载体,承担着传输电能的任务。当电池放电时,锂离子从负极通过电解质流向正极,而充电时则反向流回。如图1所示:锂离子有许多独特的性能,比如质轻、电极电动势低(比标准氢电极低3.04V)等。这些特性使得锂离子电池与其它电池相比具有高能量密度与高工作电压的优势。然而,由于金属锂与空气和水剧烈反应,因此锂离子电池中的电极材料是以将锂离子镶嵌在其它材料中的形式构成的。在晶体学中,客体原子或客体离子移入主晶体结构中的反应多被称作“插入”或…     

锂离子电池正极材料LiFePO4的复合改性研究

为提高LiFePO4的充放电性能,用化学沉淀法制备了金属离子和蔗糖碳复合改性的磷酸铁锂,具有很好的大电流性能,主要原因是金属离子体掺杂和表面包覆导电碳黑提高材料自身的导电能力和电极中颗粒间的导电能力.其中Li0.98Ti0.02FePO4/C在320mA/g(约2C)的比容量＞126mAh/g,充放电循环20次后放电比容量仍保持在96%以上.     

锂离子电池复合正极材料xLiFePO4·yLi3V2(PO4)3的制备与性能研究

以FePO4·xH2O、V2O5、NH4H2PO4和Li2CO3为原料,以乙二酸为还原剂,在常温常压下经机械活化并还原嵌锂,形成无定形的5LiFePO4·Li3V2(PO4)3前驱体混合物,然后低温热处理合成出晶态的复合正极材料5LiFePO4·Li3V2(PO4)3.分别研究了复合材料的物相结构、形貌、电化学性能.SEM图像表明合成的材料粒径小、分布均匀,一次粒径为100～200nm.充放电测试结果表明,650℃烧结12h制得的复合正极材料5LiFePO4·Li3V2(PO4)3电化学性能优良,1C放电比容量高达158mAh/g,达到该复合材料的理论比容量(156.8mAh/g).复合材料具有良好的倍率性能和循环性能,在10C放电比容量高达114mAh/g,100次循环后容量几乎无衰减.循环伏安测试表明,复合材料的脱嵌锂性能优良,且明显优于单一的LiFePO4和Li3V2(PO4)3.     

锂离子电池正极材料LiFePO4/C的合成及性能

用溶胶-凝胶法和微波法相结合制备了碳包裹的LiFePO4/C材料.XRD、SEM和电化学测试表明:真空干燥下微波18min所得样品为橄榄石型非晶结构,粒径在30～100nm,0.2C充放电的首次放电比容量为120mAh/g,第16次循环的比容量为113mAh/g.     

化学沉淀法制备锂离子电池正极材料LiFePO4

以LiOH·H2O、(NH4)2HPO4、FeSO4·7H2O为原料,通过沉淀法制备锂离子电池正极材料LiFePO4前驱体,前躯体中混入2wt%的活性炭在550℃(2烧结6h得到橄榄石型的LiFePO4.研究了反应时间、烧结温度、烧结时间对合成LiFePO4的影响,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重-差热综合分析(TG-DTA)、红外光谱(FTIR)等手段对合成的LiFePO4的结构、形态、热化学性质和电化学性能进行了研究,结果表明化学沉淀法制备橄榄石型LiFePO4正极材料呈形貌规整的类球形颗粒,晶型发育完善,粒度分布均匀.LiFePO4样品在室温首次放电容量119.5mAb·g-1,8次循环后放电容量衰减低于2%.     

锂离子电池LiFe0.7Mn0.3PO4-C复合正极材料的制备与表征

采用固相反应法制备了LiFe0.7Mn0.3PO4-C复合材料。用x射线衍射、扫描电镜和电化学测试对符合材料的结构、形貌和电化学性能进行了研究。结果表明，LiFe0.7Mn0.3PO4-C具有单一的橄榄石结构,碳的加入影响了LiFe0.7Mn0.3O4的表面形貌。LiFe0.7Mn0.3PO4-C复合材料的颗粒大小在100-200nm之间，碳均匀地包覆在LiFe0.7Mn0.3O4颗粒的表面．与LiFe0.7Mn0.3O4相比，LiFe0.7Mn0.3PO4-C复合材料具有更高的可逆比容量、更好的循环性能：0.1C放电时LiFe0.7Mn0.3O4-C复合材料的可逆容量达到141mAh／g，60次循环后平均每次循环的容量损失只有0．19％，而相同条件下60次循环后LiFe0.7Mn0.3O4平均每次循环的容量损失为0．53％，表明碳的加入有效地改善了LiFe0.7Mn0.3O4的电化学性能。     

两步碳热还原方法制备LiFePO4/C阴极复合材料

橄榄石型的LiFePO4材料是一种具有良好发展潜力的锂离子电池阴极材料。应用一种两步烧结的碳热还原方法制备出LiFePO4阴极材料,该法缩短了高温烧结阶段的时间,从而达到抑制晶粒长大的目的,并对LiFePO4进行原位碳包覆,制得LiFePO4/C复合阴极材料。对制得的材料进行0.1C恒电流充放电测试,首次放电容量为149.4mAh/g,首次放电效率可以达到93.5%。而用作对比的一步法烧结碳热还原样品在0.1C恒流充放电试验中首次容量只有99.1mAh/g,放电效率是81.4%,并对制备反应及充放电结果的机理进行了探讨。     

多孔球形LiFePO4／C正极材料的制备及性能

球形化是正极材料LiFePO4的重要研究方向．采用喷雾干燥。碳热还原法制备了具有多孔结构的LiFePO4/C球形粉体材料。结果表明：在550-800℃合成的样品均为橄榄石结构LiFePO4／C，晶格常数c／a随着温度的升高而减小，800℃下热处理12h制备的多孔球形LiFePO4/C粉体材料，晶格常数c／a=0.7806，平均粒径在100m左右，每个微球都有直径在200-700nm之间的亚微米颗粒堆积而成，具有流动性好、表面易涂覆等特点，在室温下，C／3首次放电比容量可达119mAh／g。     

铜掺杂的磷酸铁锂复合正极材料的制备和电性能研究

利用共沉淀法制备了铜掺杂的磷酸铁锂正极材料。对产物进行了XRD、SEM、FT-IR、DSC表征分析。结果表明Cu掺杂的LiFePO4具有与LiFePO4相同的单一橄榄石型晶体结构,样品粒径在0.4～20μm左右,形貌规整,粒径分布均匀。0.2C倍率下LiFePO4/C的充放电比容量达到142和144mAh/g,而LiCuxFe1-xPO4/C在充放电的比容量分别为150.1和151mAh/g。LiCuFePO4/C循环40圈后比容量保持率为97.8%,而LiFePO4/C的保持率仅为82.1%。     

聚吡咯/磷酸铁锂复合正极材料的制备与表征

采用化学氧化法, 以吡咯为单体、 三氯化铁为氧化剂、 苯磺酸钠为掺杂剂在磷酸铁锂颗粒表面进行原位聚合, 制备了聚吡咯/磷酸铁锂(PPy/LiFePO₄)复合材料。用FTIR、 XRD和SEM对PPy/LiFePO₄复合材料进行了结构与形貌表征。用电化学工作站和充放电测试系统对复合材料的电化学性能进行了表征。结果表明: PPy/LiFePO₄复合材料作锂二次电池正极具有良好的充放电循环性能。当PPy质量分数为17%, 充放电电流为0.1 mA时, PPy/LiFePO₄复合材料最高放电比容量达163 mAh·g^-1, 50次循环之后放电比容量仍为初始时的94.9%; 与LiFePO₄相比, 当PPy的含量适当时, PPy/LiFePO₄复合正极材料的放电比容量会有明显提高。PPy的加入提高了LiFePO₄的电子电导率, 从而提高了活性物质有效利用率, 因此PPy/LiFePO₄复合材料的比容量和循环性能均得到了提升。     

纳米LiFePO4/C复合正极材料的制备及其性能研究

采用碳热还原方法、以不同掺碳(葡萄糖为碳源)方式合成LiFePO4/C复合正极材料,利用X射线衍射仪、高倍率透射电镜以及电池测试仪等手段对样品进行了分析研究,并探讨了不同掺碳方式对复合LiFePO4/C正极材料性能的影响.结果表明,采用湿法加入葡萄糖制备的LiFePO4/C正极材料中LiFePO4的粒径范围在40～80nm左右,为纳米材料尺度,0.05C倍率下首次放电比容量达到160mAh/g,1C倍率下循环50次后,容量衰减仅为1.2%.     

橄榄石型结构LiFePO4锂电池正极材料实用化的障碍和途径

橄榄石型结构LiFePO4因其结构特征和潜在的低成本而有望成为下一代锂离子电池正极材料。但是要使LiFePO4商业化必须开发出适于规模化生产高性能LiFePO4正极材料的工艺。本文在综合分析LiFePO4制备方法、导电性改善及填充密度提高途径的基础上，认为可借鉴Ni-MH电池正极材料球形Ni（OH）2制备技术发展经验，从理论上深入研究LiFePO4的形成过程，通过控制橄榄石型结构LiFePO4材料的结晶度、晶粒大小及形貌、元素分布、界面结构来满足高容量、大比功率及长循环寿命的要求。     

水热合成LiFePO_4/C材料电化学性能的颗粒尺度敏感性

通过控制水热法过程中的水热反应加热速度,制备了3种不同颗粒尺度的LiFePO4/C锂离子电池正极材料。结果表明,加热速度越快,LiFePO4/C平均粒径越小,分布越集中。当加热速率从5℃/min升至15℃/min时,材料颗粒半径从336nm减小到200nm,0.1 C放电容量从154 mAh/g增至162mAh/g,而20C放电容量则从75mAh/g显著增大至127mAh/g。LiFePO4/C材料的电化学性能表现出明显的尺度敏感性,特别是在高倍率充放电条件下。     

新型喷雾干燥法制备LiFePO_4/C复合材料及其性能研究

通过新型喷雾干燥技术及热处理制备出具有球形二次形貌结构的纳米LiFePO4/C复合材料。首先合成了纳米FePO4颗粒(约20nm),并与Li2CO3和一定量的蔗糖均匀混合,对材料前驱体进行碳包覆,通过喷雾干燥获得了前驱体二次颗粒;经过热处理获得了由一次颗粒组成的二次颗粒。详细研究了碳含量对一次颗粒粒径及复合材料性能及形貌的影响,发现当LiFePO4/C复合材料中碳含量为5.3%(质量分数),样品拥有良好的形貌结构和最佳的性能,0.1,1和5C下的比容量分别为162,145和116mAh/g。