動力鋰離子電池用LiFePO4制備工藝的探討.pdf

1、作為一種可充電電池,鋰離子電池具有電壓高(為Ni-Cd或Ni-MH電池的3倍)、比能量高(為Ni-Cd或Ni-MH電池的3倍或2倍)、循環(huán)性能好、工作溫度范圍寬等優(yōu)點,適應(yīng)人們對輕便、小污染和長壽命能源的需求。因此從第一只鋰離子電池問世以來,鋰離子電池技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究,電池的性能得到了不斷的提升,并早已超越Ni-Cd和Ni-MH電池成為可充電電池市場上的主力。已商業(yè)化多年的LiCoO2顯然是性能最出色的鋰離子電池正極材料

2、,但是鈷價格昂貴且對環(huán)境有污染的致命缺點使得鋰離子電池的發(fā)展,尤其是作為動力電源的普及受到了嚴重制約。作為LiCoO2的替代材料,由于LiFePO4原料廣泛、安全無毒、比容量高、循環(huán)穩(wěn)定,它作為鋰離子電池的關(guān)鍵材料受到人們的廣泛關(guān)注。目前絕大多數(shù)工作都在通過各種化學以及物理的方法來改進材料的合成工藝來改善材料的物相和結(jié)構(gòu),這些方法在一定程度上對提高材料性能起到了良好的效果。但是目前工業(yè)上生產(chǎn)LiFePO4的方法只有傳統(tǒng)的以三氧化二鐵為原

3、料的碳熱還原法和以草酸亞鐵為原料的高溫固相法。經(jīng)過研究得到,以磷酸鐵為前驅(qū)體合成的LiFePO4性能更優(yōu)越。通過原位聚合的方法得到FeP04/Polymer,再將合成的前驅(qū)體和鋰鹽混合,高溫燒結(jié)就可以得到性能優(yōu)越的LiFeP04。本論文主要是為針對目前LiFePO4制備成本高,合成的LiFePO4大電流性能差以及振實密度低的缺點進行以下研究:1.FePO4/Polymer前軀體合成的研究:覆碳是改善LiFePO4電化學性能的重要方法。目

4、前很多方法都是在原料中加入有機碳源,直接獲取導電碳包覆的LiFeP04。這些方法會導致合成的LiFePO4顆粒大,碳包覆不均勻,從而影響循環(huán)性能和倍率性能。我們將三價鐵鹽溶液加入到磷酸根和有機單體的混合溶液中,通過原位聚合的方法生成核殼結(jié)構(gòu)的FePO4/Polymer前軀體。此方法合成得到的LiFePO4顆粒碳包覆均勻,材料的導電率明顯提高,而顆粒尺寸減小至200nm以內(nèi),LiFePO4的電化學性能得到顯著改善。聚合物經(jīng)過高溫碳化之后成

5、為均勻分布的導電碳,制備的LiFePO4/C材料,含碳量為5％左右。從0.1C、0.5C、1C、3C、6C、10C到15C的容量分別為160、150、145、139、125、112、102mAh/g,相當于理論容量的94.1%、88.2%、85.3%、81.8%、73.5%、65.9%、60%。2.球形LiFePO4的合成:LiFePO4的理論密度僅為3.6g/cm3,本身就比LiCoO2要低得多。為提高導電性,人們摻入導電碳材料,又顯

6、著降低了材料的堆積密度,使得一般摻碳LiFePO4的振實密度只有1.0-1.2g/cm3。如此低的堆積密度使得LiFePO4的體積比容量比LiCoO2低很多,制成的電池體積將十分龐大,不僅毫無優(yōu)勢可言,而且很難應(yīng)用于實際。因此,提高LiFePO4的堆積密度和體積比容量對LiFePO4的實用化具有決定意義。本實驗室受高密度球形Ni(OH)2研究成果的啟發(fā),發(fā)現(xiàn)球形LiFePO4能顯著增加材料的振實密度。研究和實際應(yīng)用表明,球形產(chǎn)品不僅具有