锂离子电池新型正极材料LiFePO4的研究进展

橄榄石结构的LiFePO_4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、能量密度和理论容量高、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LiFePO_4正极材料的结构与性能以及存在的问题:综述制备LiFePO_4的各种方法,即固相合成和液相合成两类,比较各种方法的优缺点;探讨近年来国内外对于改善LiFePO_4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.     

锂离子电池正极材料LiFePO_4的水热合成及其性能

以H_3PO_4、FeSO_4·7H_2O和LiOH·H_2O为原料,石墨烯为碳源,采用水热合成法制备锂离子电池正极材料LiFePO_4,考察水热反应温度和后期的焙烧温度等工艺条件对合成产物结构、形貌及电化学性能的影响。结果表明,水热反应温度和焙烧温度对合成的LiFePO_4形貌结构与电化学性能均有显著的影响,石墨烯的掺入可明显改善材料的电化学性能。当水热温度为150℃、焙烧温度为700℃、石墨烯的掺入量为3%(质量分数)时,制备的样品具有相对较好的电化学性能,0.1C倍率下首次放电比容量为134.0 mA·h/g,经过20次循环后的比容量为131.3 mA·h/g,容量衰减率仅为2.02%。     

锂离子电池正极材料LiFePO4的合成与性能研究

以Li2CO3,FeSO4·7H2O、(NH4)2HPO4和Na2EDTA为原料,采用水热法合成了锂离子电池正极材料LiFePO4,研究了原料混合液pH值对产物形貌和电化学性能的影响.结果表明,在pH=8下合成的样品属于橄榄石结构,0.1C、3.0～4.3V条件下充放电的首次放电比容量为141mAh·g-1,第20次循环的比容量为138mAh·g-1.     

锂离子电池正极材料LiFePO4掺碳纳米管的性能研究

以Li2CO3、FeSO4·7H2O、(NH4)2HPO4和Na2EDTA为原料,掺杂碳纳米管采用水热法合成了锂离子电池正极材料LiFePO4.研究了表面活性剂和碳纳米管对产物形貌和电化学性能的影响.结果表明:LiFePO4/MWCNTs样品属于橄榄石结构,在0.1C、3.0～4.3V条件下的首次放电比容量为145 mAh·g--,第20次循环的比容量为144.3 mAh·g-1.     

锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3的合成与性能研究

以LiAc·2H<,2>O、V<,2>O<,5>、NH<,4>H<,2>PO<,4>、蔗糖和乙二醇为原料,采用液相多元醇法合成了锂离子电池正极材料Li<,3>V<,2>(PO<,4>)<,3>,研究了烧结温度对产物电化学性能的影响.XRD、SEM和充放电测试表明:在800℃下烧结10 h合成的样品为单斜晶系;在0.1C、3.0～4.3 V下充放电的首次放电比容量为126 mAh·g<'-1>,第20次循环的比容量为120 mAh·g<'-1>.     

LiFePO4/C锂离子电池正极材料的电化学性能

以碳凝胶作为碳添加剂,采用固相法制备了复合型LiFePO4/C锂离子电池正极材料.研究了不同掺碳量对样品性能的影响.利用X射线衍射仪、扫描电镜和碳硫(质量分数)分析方法对所得样品的晶体结构、表面形貌、含碳量进行分析研究.结果表明:样品中的碳含量(质量分数)分别为0%、5%、10%、22%,所得样品均为单一的橄榄石型晶体结构,碳的加入使LiFePO4颗粒粒径减小.另外,碳分散于晶体颗粒之间,增强了颗粒之间的导电性.合成样品的电化学性能测试结果表明,掺碳后的LiFePO4放电比容量和循环性能都得到显著改善.其中,含碳量为22%的LiFePO4/C在0.1 C倍率下放电,首次放电容量达143.4 mA·h/g,充放电循环6次后电容量为142.7 mA·h/g,容量仅衰减0.7%.     

LiFePO_4/CNT复合正极材料的制备与性能研究

以柠檬酸为碳源和螯合剂,通过溶胶-凝胶法制备了LiFePO_4/CNT复合正极粉体材料.利用XRD和SEM表征了复合粉体的结构.复合材料含有单一的磷酸铁锂相,碳纳米管在正极材料中将颗粒与颗粒相连,为颗粒之间提供了附加的导电通路.通过添加碳纳米管的方法对正极材料导电通路进行改善.在低速率下容量可以达到135 mAh/g,在1 C充放电速率下容量保持在110 mAh/g,2 C时容量保持在80 mAh/g.随着碳纳米管含量的增加,锂离子电池的容量也增加.     

影响锂离子电池正极材料LiMn2O4性能的因素

介绍了锂离子电池正极材料LiMn2O4的制备方法，并以柠檬酸体系溶胶一凝胶法合成LiMn2O4为例，从溶液pH值及含水量、Li的含量及酸与金属离子摩尔比、合成温度及时间、冷却速度及粒度等方面阐述了影响LiMn2O4性能的因素。实验表明，体系溶液最好为饱和溶液，pH值应控制在6．5左右；锂盐略为过量，柠檬酸与金属离子摩尔比为1：1。最佳烧结温度为750℃。8000℃，并合理控制冷却速率，合理控制烧结时间及烧结温度，从而控制粒子半径。     

一种新型的锂离子电池正极材料——LiFePO4

介绍了1种新型的锂离子电池正极活性材料LiFePO4并解释了材料的结构特征和电化学过程。LiFePO4具有较高的比容量和良好的循环稳定性等优良的电化学性能,但是目前还存在着制约容量释放的锂离子扩散系数小以及材料导电性能不太好等问题。在回顾该材料研究状态的基础上,说明了只要通过选取适当的制备工艺和进行合适的表面改性可以制备出具有优良电化学性能的LiFePO4粉体。这种粉体具有环境相容性、便宜以及资源丰富等诸多优点,是1种颇具潜力的锂离子电池正极替代材料。     

三价铁合成LiFePO_4/C正极材料及其性能研究

橄榄石型LiFePO_4正极材料具有对环境友善、资源丰富、价格便宜和安全性能好等优点,被认为是非常具有发展前景的锂离子电池正极材料,然而由于自身晶体结构的本征特性,LiFePO_4的电导率低,高倍率充放电性能较差是限制其应用的最大障碍,通过碳包覆或金属离子掺杂等改性方法提高这种材料的电子导电率成为锂离子电池材料领域的研究热点.以提高电化学性能和更好的实现产业化为主要目的,对LiFePO_4材料的碳包覆和合成条件等进行了研究.以氧化铁为原料,采用碳热还原法合成锂离子电池正极材料LiFePO_4/C,利用扫描电镜和电化学性能测试方法对磷酸铁锂材料的表面形貌以及电性能进行分析研究,讨论了不同的煅烧温度、煅烧时间和掺碳量对材料电性能的影响.实验结果表明最佳合成工艺为:碳的包覆量为6%(质量分数),合成温度为720 ℃,保温时间为12 h,合成过程在惰性气氛下完成,合成的LiFePO_4/C复合正极材料在2.0～4.3 V,0.2 C倍率下的放电比容量可达160.56 mAh/g,0.5 C放电比容量可稳定在143 mAh/g左右,循环性能较好.     

Zn^2＋掺杂对锂离子电池正极材料LiFePO4性能的影响

以Zn(NO4)2·6H2O为Zn源,蔗糖为C源,对LiFePO4进行了Fe位掺杂和包覆研究.用XRD、交流阻抗方法和恒流充放电研究了材料的结构和电化学性能.结果表明:包覆掺杂后的材料具有橄榄石型晶体结构.从LiFePO4、LiZn0.01Fe0.09PO4到LiZn0.01Fe0.99PO4/C其电荷转移阻抗逐渐减小,材料的可逆性能逐渐增强.掺杂后的材料初始容量和循环性能都得到明显的改善,在0.1C的倍率下,LiFePO4、LiZn0.01Fe0.99PO4和LiZn0.041Fe0.99PO4/C首次放电容量分别为93.1mAh·g-1、130.4mAh·g-1和159.2 mAh·g-1.放电倍率提高到0.5C时,LiZn0.01Fe0.99PO4/C首次放电容量仍有137.3 mAh·g-1,其后的70次循环容量衰减仅4.3%.     

锂离子电池正极材料LiFePO4改性研究

介绍了LiFePO4正极材料的结构特点和反应机理,详细讨论了金属离子掺杂、碳包覆和控制活性材料的尺寸等改性研究对LiFePO4材料的电化学性能的影响.从而进一步优化高性能锂离子电池正极材料的改性过程,促进锂离子电池性能的改善.     

LiFePO4／C复合正极材料的制备及其电化学性能研究

采用高温固相碳热还原法（CTR，Carbothermal Reduction）合成了LiFePO4／C复合正极材料。采用XRD，SEM以及BET等方法对产物进行表征。结果表明，所得LiFeP04／C材料有着单一的橄榄石型晶体结构。750℃下制备产物的BET比表面积为39．7002m^2／g。利用恒流充放电，循环伏安法（CV），电化学阻抗谱（EIS）等电化学手段研究了LiFePO4／C材料的电化学性质。结果表明：750℃下制备的LiFePO4／C复合材料在25℃工作温度下，有着优异的循环稳定性和大倍率充放电性能，使用850ma／g（5C）的电流密度对电池充放电90次后，电池放电比容量仍能保持11lmAh／g。在55℃工作温度下1C充放电倍率时，首次和第90次循环的放电比容量分别为14513mAh／g和142．9mAh／g。     

锂离子电池正极材料磷酸铁锂研究进展

电极材料是推进电池技术发展及应用的关键。作为锂离子电池正极材料的LiFePO4表现出优异的电池性能(大容量、优异循环特性),但也有本征低电导率的缺点。具有橄榄石结构的LiFePO4在电池充放电过程发生FePO4与LiFePO4之间的相变,已有实验证明充放电过程中出现固溶体LixFePO4。掺杂是提高材料电导率的常用手段,但LiFePO4的掺杂却一直饱受争议;缺陷化学的研究初步认定通过适当点缺陷的电荷补偿,晶体内引入掺杂元素是可以实现的,并且提出几种缺陷补偿机制。导电相复合可降低电极颗粒间的接触电阻,特别是LiFePO4的碳包覆有效地改善其电化学性能,促进其工业化推广;碳包覆的有效性取决于碳的sp2杂化键的比例及碳含量。由于电极材料形貌影响电池的充放电动力学过程,LiFePO4的颗粒尺寸、形状、表面粗糙度等的控制都成为提高电池性能的重要手段;LiFePO4的薄膜制备及三维构架技术则进一步推动微型电池的应用发展。     

前驱体体系pH值对LiFePO4/C正极材料性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了LiFePO4/C正极材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和电化学手段对材料进行了结构表征和性能测试.研究了其前驱体体系pH值对材料性能的影响.结果表明:当前驱体体系pH值为8.4时,LiFePO4/C正极材料具有最佳的电化学性能.在0.1C倍率下充放电,磷酸铁锂首次放电比容量为16...     

LiFePO4基正极材料容量的温度敏感特性及交流阻抗谱研究

采用原位碳包覆法制备了锂离子二次电池用LiFePO4／C复合正极材料。考察了环境温度对LiFePO4/C电池容量的影响，得到容量与绝对温度之间符合Arrhenius关系。运用交流阻抗谱分析了温度与电池电化学特性的关系，并对电极基于电荷和质量传递控制过程给出了一种新的模拟等效电路，通过Zview拟合软件得到了各个模拟元件的数值及变化趋势，从而定量地解释LiFePO4／C复合电极容量与温度的关系。     

碳包覆镍掺杂LiFePO4正极材料的合成与电化学性能

采用水热法在160℃下合成了单相橄榄石结构的LiFePO4和LiFe0.95Ni0.05PO4。经550℃聚丙稀裂解碳包覆后得到LiFePO4／C的颗粒尺寸在200nm左右，碳包覆镍掺杂LiFe0.95Ni0.05PO4/C的颗粒尺寸在100nm以下。电化学测试结果表明：LiFePO4/C和LiFe0.95PO4／C的0．1C首次充放电可逆容量分别达到154mAh·g^-1和149mAh·g^-1，但掺镍的LiFe0.95Ni0．05PO4／C具有更优异的大电流充放电循环特性，0．5C和1C充放电100次后的放电容量分别达到147mAb·g^-1和134mAh·g^-1。     

锂离子电池正极材料LiFePO4的改性

采用高温固相法合成了锂离子电池正极材料LiFePO4及改性的LiFe0.9Ni0.1PO4和LiFe0.9Ni0.1PO4/C材料。采用X射线衍射仪和扫描电镜分析样品的晶体结构和表面形貌。结果表明:改性后的LiFe0.9Ni0.1PO4和LiFe0.9Ni0.1PO4/C材料与LiFePO4一样均为单一的橄榄石结构。以20 mA/g电流密度充放电,LiFe0.9Ni0.1PO4的首次放电容量为140 mA.h/g,较LiFePO4增加了12%;而复合掺杂得到的含碳量为2.8%的LiFe0.9Ni0.1PO4/C材料,首次放电容量达162 mA.h/g,充放电循环30次后放电电容量仍为147 mA.h/g,容量衰减仅为9%。当充放电电流密度提高到80 mA/g时,LiFePO4、LiFe0.9Ni0.1PO4和LiFe0.9Ni0.1PO4/C的放电容量分别为86、114和140 mA.h/g。改性后的LiFe0.9Ni0.1PO4/C的电化学性能得到了较大的改善。     

稀土金属离子掺杂对LiFePO4结构和性能的影响

采用稀土金属离子(Er3+、Y3+、Nd3+)分别对LiFePO4的Li、Fe原子位进行掺杂,通过X射线衍射(XRD)、恒电流充放电及电化学阻抗(EIS)法系统地研究掺杂对LiFePO4结构和性能的影响。结果表明:掺杂试样的微观结构和性能与掺杂离子半径、取代位置密切相关。LiFe0.99Y0.01PO4试样具有最佳的电化学性能,在15mA.g-1放电电流密度下首次放电容量达到149.8mAh.g-1,当电流密度增加到300mA.g-1时,放电容量为134.3mAh.g-1,经过50次循环充放电后,放电容量保持率为99.1%。     

Ni^2+掺杂对LiFePO_4正极材料电化学性能的影响

采用固相反应法在惰性气氛下合成了橄榄石型LiFePO4及其Ni^2＋掺杂正极材料,采用XRD,SEM和充放电等方法对目标材料进行了表征。XRD分析表明,掺杂少量Ni^2＋后的LiFePO4晶体结构并未发生变化;SEM观察发现,掺杂后,样品的粒径变小;充放电测试得出,比未掺杂的LiFePO4具有更好的电化学性能,首次放电比容量达145mAh·g^-1,高于纯的LiFePO4正极材料的容量90mAh·g^-1,经100次循环后掺杂Ni^2＋的LiFePO4和LiFePO4样品的容量保有率分别为91％和53％。