LiFePO4 电极材料调研幻灯片.ppt

磷酸铁锂锂离子二次电池文献调研初步 山东大学化学电源研究中心 目录 研究背景 磷酸铁锂优点 磷酸铁锂缺点与解决途径 磷酸铁锂的合成方法 磷酸铁锂的复合 元素掺杂 新能源材料，二次电池，锂电池的研究意义： 新能源和“碳政治”。 能源的利用离不开二次电池。 锂电池。 常见锂离子电池现状 市售锂电池正极材料主要为LiCoO2, 部分为LiMn2O4, LiNiO2 LiCoO2中Co为战略资源，Co毒性大，易造成污染 过充（如 Li1-xCoO2, x 0.6）安全问题。形成过渡金属氧化物如CoO2催化能力强，适合作为小容量单体电池使用。 LiFePO4的优点 成本低廉，来源广泛。 安全性好。 电压较为平稳（3.4V VS Li+/Li） 较高的能量密度和理论容量。550Wh/Kg VS LiCoO2 120～150W h/kg） 环境友好 缺点及其解决办法 缺点 导电性差 。低温性能差。其带宽为3.7 eV的半导体. 锂离子扩散速度较慢。 振实密度较低。 动力电池，一般要求10C以上放电。 解决办法 缩短锂离子扩散路径，提高电子导电率 降低LiFePO4颗粒尺寸 包覆碳层。 包覆导电金属层或金属化合物层 与导电聚合物复合 2.元素掺杂 金属离子掺杂。Li位，Fe为掺杂 阴离子部分取代，F掺杂 合成手段 高温固相反应 碳热还原合成 微波辐射合成 溶胶- 凝胶合成 微波合成 溶剂热合成法 共沉淀合成 喷雾分解 碳包覆的作用 作为还原剂。防止形成Fe3+，如Fe2O3 隔开LiFePO4颗粒，防止颗粒再生长 提高电子电导率 防止纳米颗粒聚集。供锂离子通过。 其他 碳含量不能高，否则振实密度体降低。体积比容量降低。需要优化碳含量 一般认为Sp2比Sp3杂化C层具有更好的导电性 更好的碳源以及合成手段 碳包覆专利实例 石墨烯与磷酸铁锂复合 将graphene （1～2.5%）与磷酸铁锂煅烧。导电率提高五个数量级。磷酸铁锂与石墨烯由化学键合的界面连接，所得正极材料的振实密度高（1.8g/cm3）1C为150 mAh/g, 20C为100 mAh/g。左右。（江苏省） 高石墨化碳包覆LiFePO4： 将原料FePO4和锂源化合物，碳源化合物和二茂铁催化剂混合，球磨介质球磨8～12h，催化剂促使其形成石墨化结晶程度更好的碳包覆膜。C约1%，0.1C 168 mAh/g， 10C135 mAh/g 　 碳纳米管内嵌LiFePO4: 可以实现持续30C放电，脉冲100C放电的要求。 聚合物复合实例 王荣顺小组聚合物复合实例 将磷酸亚铁锂和‘尼龙绳’一结合，导电指数提高了十几个数量级，同时将低温性能和振实密度提高了30%。（吉林省科技厅） 普通的电动自行车充一次电可以跑40公里，该型锂离子动力电池的电动自行车则可以跑80公里。（新闻报道） 金属包覆，氧化物包覆和磷化物包覆 碳包覆的缺点 炭的密度小, 将导致材料的能量密度降低。 金属粉末包覆。 Ag, Ni, Cu等金属包覆 但金属粉末的掺入可能会与电解液发生复杂反应 氧化物包覆实例 MgO，ZrO2，TiO2物包覆层不仅提高了磷酸铁锂材料的电导率，而且提供了锂离子的输运通道，对放电性能具有较好的改进作用，对其高倍率的放电性能有较大的改善。 　 NiP 包覆 元素掺杂 掺杂位置有Li, Fe，O位三种。 随循环次数增加，极化现象比较严重。 阳离子掺杂能降低极化现象。 掺杂作用尚有争议，需进一步研究。 锂位置掺杂实例 Mg2+, Al3+, Ti4+, Zr4+, Nb5+ 在Li 4a位置取代能提高电子电导率108。微观上形成P型或N型区域 Fe位掺杂 Li位置掺杂虽然可以提高电子电导率，但可能会堵塞Li的一维通道。常见掺杂有过渡金属Mn，Ni，Co，Cr，以及Al，Mg等 LiMyFe1-yPO4（ M=Mn, Ni, Co）有助于提高材料的工作电压，从而提高电池的比能量和循环电性能。 Li1-xRExFePO4(0＜x≤0.05， Re= 稀土元素 )，可提高了基础电性能，使具有较高充放电容量和良好的电池循环性能。 掺Mg2+、Cu2+、Zn2+的LiFePO4正极粉体，C/10倍率下放电，得到120mAh/g以上的容量。 LiAlxFe1-3x/2PO4/C (x 0.12) . Al3+引入并没有导致结构的变化，提高了电学性能, LiAl0.01Fe0.985PO4/C 具有最好的电化学性能. 在0.5C和5C下具有157.67 and 126.65 mA h/g(-1) 的容量. 氧位掺杂 N掺杂可降低其带宽至1.3 eV（理论计算）Li1.2FePO3.8N0.2