提高磷酸鐵锂電池极片振实密度的方法

TIME: 2020-07-04 磷酸鐵锂電池知识百科

磷酸鐵锂作爲常用的磷酸鐵锂電池正极材料以其安全性能好、循环性能优异、环境友好、原料来源丰富等优点，成为当前锂离子电池正极材料的研究热点之一。但是磷酸鐵锂電池的缺点也制约着它的发展，振实密度低、实际比容量低是其相对于另一大热的正极材料三元材料的一大短板。下面介绍一些改善磷酸鐵锂電池极片振实密度的方法。

一、合成方法

目前制備LiFePO4方法很多，不同制備方法對LiFePO4的振實密度影響很大。不規則的粉末顆粒不能緊密堆積，如果合成的LiFePO4粉末顆粒爲不規則形貌，會造成産物的振實密度很低。一般來說，由規則的球形顆粒組成的粉體，因其不會有團聚和粒子架橋現象，從而具有較高的振實密度。得到規則球形顆粒的方法如下：

用高密度球形FePO4前驅體合成球形LiFePO4顆粒

制得高密度球形前驅體是得到高密度球形産物的有效途徑之一。先合成高密度球形FePO4前驅物，再與其他原料混合均勻，通過高溫反應，使锂通過球形前驅體顆粒表面的微孔向各方向均勻、同步地滲入前驅體的中心，保持球形形貌。此方法中，球形前驅體可以消除反應過程中由于擴散途徑不同引起的微觀組分差異，生成組成均勻的LiFePO4，從而提高材料的性能。

噴霧幹燥法制備球形LiFePO4顆粒

噴霧幹燥(熱解)法是將各金屬鹽按制備複合型粉末所需的化學計量比配成前驅體溶液，經霧化器霧化後，由載氣帶入設定溫度的反應爐中，在反應爐中瞬間完成溶劑蒸發、溶質沈澱形成固體顆粒、顆粒幹燥、顆粒熱分解和燒結成型等一系列的過程，最後形成規則的球形粉末顆粒。

熔鹽法制備球形LiFePO4顆粒

熔鹽法通常采用一種或數種低熔點的鹽類作爲反應介質，合成過程會出現液相，反應物在其中有一定的溶解度，這大大加快了反應物離子的擴散速率，使反應物在液相中實現原子尺度混合，反應就由固-固反應轉化爲固-液反應。反應結束後，采用合適的溶劑將鹽類溶解，經過濾洗滌後即可得到合成産物。

二、粒徑分布

LiFePO4的振实密度与颗粒的粒径之间存在着密切的联系。如果由球形颗粒组成的粉体具有理想的粒径分布，使得小颗粒能尽量填补大颗粒之间的空隙，则可以进一步提高其振实密度，从而有利于提高电池的体积比容量。研究表明，纳米级别的LiFePO4振实密度一般较低，而微米级别的LiFePO4具有较高的振实密度。

多孔材料可以實現高的振實密度：大顆粒的産物振實密度一般較高，但也會導致锂離子在固體材料中的擴散路徑變長，材料的電化學性能也變差。研究發現多孔的LiFePO4具有相互連接的三維孔通道，且孔之間的距離是納米級的，孔隙之間相互連接的三維通道縮短了锂離子的脫嵌距離;且多孔材料這種獨特的微觀結構，使材料具有更大的比表面積，可使材料與電解液充分接觸，增大了锂離子的擴散面積，提高了锂離子的遷移速率，有利于解決LiFePO4擴散系數小所導致的電化學性能差的問題。由于制備多孔材料時得到的都是尺寸較大且形貌良好的顆粒，所以多孔材料在保證了材料有較高振實密度的同時，也能具有良好的電化學性能。

三、碳包覆

研究表明碳包覆能增強LiFePO4顆粒之間的導電性，使其電化學性能有明顯改善。但是過量的碳將嚴重降低LiFePO4的振實密度。選擇合適的碳源，改進制備工藝，都可以使碳包覆層更加均勻，從而提高材料的振實密度。

四、金屬離子摻雜

金屬離子摻雜是在LiFePO4中摻雜金屬離子,改變其晶格結構,從而提高其自身的導電能力。近年來部分研究表明，摻雜特定種類的金屬離子能提高材料的振實密度，從而提高LiFePO4的體積比容量。

目前在提高LiFePO4振實密度的研究方面取得了一定的進展，但還存在一些問題。LiFePO4的形貌和粒度控制工藝通常很複雜，要想穩定大批量制備具有特定形貌和粒徑分布的材料存在一定的難度。且不同的制備工藝，不同的原料對LiFePO4的振實密度也有很大影響，因此需要繼續探索出簡單、低成本且能控制LiFePO4材料的形貌和粒徑分布的制備方法。

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