動(dòng)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(diǎn),適應(yīng)人們對(duì)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(chǎng)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(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境有污染的致命缺點(diǎn)使得鋰離子電池的發(fā)展,尤其是作為動(dòng)力電源的普及受到了嚴(yán)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(xué)以及物理的方法來改進(jìn)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(duì)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?zé)Y(jié)就可以得到性能優(yōu)越的LiFeP04。本論文主要是為針對(duì)目前LiFePO4制備成本高,合成的LiFePO4大電流性能差以及振實(shí)密度低的缺點(diǎn)進(jìn)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(xué)性能的重要方法。目

4、前很多方法都是在原料中加入有機(jī)碳源,直接獲取導(dǎo)電碳包覆的LiFeP04。這些方法會(huì)導(dǎo)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(jià)鐵鹽溶液加入到磷酸根和有機(jī)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(dǎo)電率明顯提高,而顆粒尺寸減小至200nm以內(nèi),LiFePO4的電化學(xué)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)電性,人們摻入導(dǎo)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(shí)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(shì)可言,而且很難應(yīng)用于實(shí)際。因此,提高LiFePO4的堆積密度和體積比容量對(duì)LiFePO4的實(shí)用化具有決定意義。本實(shí)驗(yàn)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(shí)密度。研究和實(shí)際應(yīng)用表明,球形產(chǎn)品不僅具有