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磷酸亞鐵鋰
磷酸亞鐵鋰，化學(xué)式：LiFePO4，磷酸亞鐵鋰為近來新開發(fā)的鋰離子電池電極材料，主要用于動(dòng)力鋰離子電池，作為正極活性物質(zhì)使用，人們習(xí)慣也稱其為磷酸鐵鋰。
特點(diǎn)介紹
磷酸亞鐵鋰電極材料主要用于動(dòng)力鋰離子電池。
自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A為堿金屬，M為CoFe兩者之組合:LiFeCOPO4)的橄欖石結(jié)構(gòu)的鋰電池正極材料之后, 1997年美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)John. B. Goodenough等研究人員，也接著報(bào)導(dǎo)了LiFePO4的可逆性地遷入脫出鋰的特性，美國(guó)與日本不約而同地發(fā)表橄欖石結(jié)構(gòu)(LiMPO4), 使得該材料受到了極大的重視，并引起廣泛的研究和迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的鋰離子二次電池正極材料，尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4和層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料來源更廣泛、價(jià)格更低廉且無環(huán)境污染。
磷酸亞鐵鋰性能
1、高能量密度，其理論比容量為170mAh/g，產(chǎn)品實(shí)際比容量已超過150 mAh/g（0.2C, 25°C）；
2、安全性，是目前最安全的鋰離子電池正極材料；而且不含任何對(duì)人體有害的重金屬元素。
3、壽命長(zhǎng)。在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上，這是原因磷酸鐵鋰晶格穩(wěn)定性好，鋰離子的嵌入和脫出對(duì)晶格的影響不大，故而具有良好的可逆性。存在的不足是電子離子傳到率差，不適宜大電流的充放電。為了將其應(yīng)用到電動(dòng)車和電動(dòng)工具上，人們?cè)诓牧系谋砻姘矊?dǎo)電材料（主要是碳）、摻雜其他金屬氧化物取代部分Fe的晶格位置，已經(jīng)使磷酸亞鐵鋰的導(dǎo)電性提高了100萬倍以上?，F(xiàn)在，該材料制成的鋰離子電池，可以進(jìn)行10--20C甚至30C的大電流放電和充電，而且放電性能優(yōu)良。)
4、無記憶效應(yīng)；
5.、電性能，磷酸亞鐵鋰正極材料的鋰電池，可以使用大倍率充電，現(xiàn)在最快可在30分鐘內(nèi)將電池充滿。
具體的物理參數(shù)：
松裝密度：0.8g/cm
振實(shí)密度：1.1--1.4g/cm
中位粒徑：2.0--5.0um
比表面積<15m/g
涂片參數(shù)：
LiFePo4:C:PVDF=90:3:7
極片壓實(shí)密度：2.1-2.4g/cm
電化性能：
克容量>150mAh/g ，測(cè)試條件：半電池：0.2C，4--2.0V，大于154mAh；根據(jù)實(shí)際電池0.2C放電，放電電壓：3.65V--2.5V，溫度25℃，放電容量大于150mAh。
循環(huán)次數(shù)2000次
磷酸亞鐵鋰材料的現(xiàn)狀
磷酸亞鐵鋰是一種新型鋰離子電池電極材料。目前全球已經(jīng)有很多廠家開始了工業(yè)化生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)國(guó)際磷酸鐵鋰材料生產(chǎn)商有：
國(guó)內(nèi)：天津斯特蘭 北大先行 湖南瑞翔 蘇州恒正。其中天津斯特蘭現(xiàn)在材料穩(wěn)定批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，北大先行小批量生產(chǎn)，臺(tái)灣立凱電能，也實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。
國(guó)際：加拿大Phostech、美國(guó)Valence、美國(guó)A123、日本sony。 其中A123規(guī)模最大且得到美國(guó)政府的大力資助。
磷酸亞鐵鋰放電容量大，價(jià)格相對(duì)低廉，無毒性，不造成環(huán)境污染。世界各國(guó)正競(jìng)相研究，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
但是磷酸亞鐵鋰材料的振實(shí)密度低，影響了其制成電池后電容量的發(fā)揮。
目前主要的生產(chǎn)方法為活法，產(chǎn)品指標(biāo)不穩(wěn)定。
鋰離子電池的性能主要取決于正負(fù)極材料，磷酸亞鐵鋰作為鋰離子電池的正極材料是近幾年才出現(xiàn)的事，國(guó)內(nèi)開發(fā)出大容量磷酸亞鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環(huán)壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動(dòng)力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。1CDOD充放循環(huán)壽命達(dá)2000次。單節(jié)電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸。磷酸亞鐵鋰正極材料可以做成更大容量鋰離子電池，更易串聯(lián)使用。以滿足電動(dòng)車頻繁充放電的需要。其無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。
磷酸亞鐵鋰的研究狀況
正交橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4 正極材料已逐漸成為國(guó)內(nèi)外新的研究熱點(diǎn)。該新型正極材料集中了LiCoO2、LiCoxNiyMnzO2(x+y+z=1)、LiMn2O4 這3種目前在鋰離子電池上大量使用的正極材料的優(yōu)點(diǎn)：不含貴重元素，原料廉價(jià)，資源極大豐富；工作電壓適中（3.2V）；平臺(tái)特性好，電壓極平穩(wěn)（可與穩(wěn)壓電源媲美）；理論容量大（170mAh/g）；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全性能極佳（O 與P 以強(qiáng)共價(jià)鍵牢固結(jié)合，使材料很難析氧分解）；高溫性能和熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于已知的其它正極材料；循環(huán)性能好；充電時(shí)體積縮小，與碳負(fù)極材料配合時(shí)的體積效應(yīng)好；與大多數(shù)電解液系統(tǒng)兼容性好，儲(chǔ)存性能好；無毒，為真正的綠色材料。
與LiCoO2、LiCoxNiyMnzO2(x+y+z=1)、LiMn2O4 等正極材料相比，LiFePO4 正極材料在成本、高溫性能、安全性方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，可望成為中大容量、中高功率鋰離子電池首選的正極材料。
該材料的產(chǎn)業(yè)化和普及應(yīng)用對(duì)降低鋰離子電池成本，提高電池安全性，擴(kuò)大鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)鋰離子電池大型化、高功率化具有十分重大的意義，將使鋰離子電池在中大容量UPS、中大型儲(chǔ)能電池、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
然而，磷酸鐵鋰堆積密度低的缺點(diǎn)一直難以找到有效的解決方法，這阻礙了材料的實(shí)際應(yīng)用。鈷酸鋰的理論密度為5.1g/cm3，商品鈷酸鋰的振實(shí)密度一般為2.2-2.4g/cm3；而磷酸鐵鋰的理論密度僅為3.6g/cm3，本身就比鈷酸鋰要低得多。
為提高導(dǎo)電性，人們摻入導(dǎo)電碳材料，又顯著降低了材料的堆積密度，使得一般摻碳磷酸亞鐵鋰的振實(shí)密度只有1.0-1.3g/cm3。如此低的堆積密度使得磷酸亞鐵鋰的體積比容量比鈷酸鋰低很多，制成的電池體積大，成本相對(duì)較高，影響了實(shí)際應(yīng)用。
因此，提高磷酸亞鐵鋰的堆積密度和體積比容量對(duì)磷酸亞鐵鋰的實(shí)用化具有決定意義。粉體材料的顆粒形貌、粒徑及其分布直接影響材料的堆積密度，為此，人們對(duì)磷酸亞鐵鋰材料向球形方向進(jìn)行研究。研究和實(shí)際應(yīng)用表明，球形產(chǎn)品不僅具有堆積密度高、體積比容量大等突出優(yōu)點(diǎn)，而且還具有優(yōu)異的流動(dòng)性、分散性和可加工性能，十分有利于制作正極材料漿料和電極片的涂覆，提高極片品質(zhì)；此外，相對(duì)于無規(guī)則的顆粒，規(guī)則的球形顆粒表面比較容易包覆完整、均勻、牢固的修飾層，因此球形產(chǎn)品更有希望通過表面修飾進(jìn)一步改善綜合性能。
人們進(jìn)行濕法前驅(qū)體預(yù)處理、2次燒結(jié)的研究。在此基礎(chǔ)上，添加含碳的材料和過渡元素氧化物、稀土元素氧化物等方式，采用二價(jià)鐵鹽或三價(jià)鐵鹽、磷酸或磷酸鹽、氨水為原料，通過控制結(jié)晶技術(shù)合成高密度球形磷酸亞鐵前驅(qū)體，再與鋰源、碳源共混熱處理，通過碳熱還原法合成摻碳的高密度近球形磷酸亞鐵鋰。該磷酸亞鐵鋰粉體材料由單分散球形顆粒組成、粒徑可達(dá)到4.5-10μm、振實(shí)密度可達(dá)1.4-1.8g/cm3、可逆容量超過了150mAh/g，導(dǎo)電性提高了100萬倍的LiFePO4 正極材料，這對(duì)磷酸亞鐵鋰材料應(yīng)用到大容量、高功率的鋰離子電池上成為可能，極大地促進(jìn)該材料的產(chǎn)業(yè)化。
參考資料
1.
磷酸亞鐵鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀 ．中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)[引用日期2016-05-31]
磷酸亞鐵鋰，化學(xué)式：LiFePO4，磷酸亞鐵鋰為近來新開發(fā)的鋰離子電池電極材料，主要用于動(dòng)力鋰離子電池，作為正極活性物質(zhì)使用，人們習(xí)慣也稱其為磷酸鐵鋰。
特點(diǎn)介紹
磷酸亞鐵鋰電極材料主要用于動(dòng)力鋰離子電池。
自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A為堿金屬，M為CoFe兩者之組合:LiFeCOPO4)的橄欖石結(jié)構(gòu)的鋰電池正極材料之后, 1997年美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)John. B. Goodenough等研究人員，也接著報(bào)導(dǎo)了LiFePO4的可逆性地遷入脫出鋰的特性，美國(guó)與日本不約而同地發(fā)表橄欖石結(jié)構(gòu)(LiMPO4), 使得該材料受到了極大的重視，并引起廣泛的研究和迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的鋰離子二次電池正極材料，尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4和層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料來源更廣泛、價(jià)格更低廉且無環(huán)境污染。
磷酸亞鐵鋰性能
1、高能量密度，其理論比容量為170mAh/g，產(chǎn)品實(shí)際比容量已超過150 mAh/g（0.2C, 25°C）；
2、安全性，是目前最安全的鋰離子電池正極材料；而且不含任何對(duì)人體有害的重金屬元素。
3、壽命長(zhǎng)。在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上，這是原因磷酸鐵鋰晶格穩(wěn)定性好，鋰離子的嵌入和脫出對(duì)晶格的影響不大，故而具有良好的可逆性。存在的不足是電子離子傳到率差，不適宜大電流的充放電。為了將其應(yīng)用到電動(dòng)車和電動(dòng)工具上，人們?cè)诓牧系谋砻姘矊?dǎo)電材料（主要是碳）、摻雜其他金屬氧化物取代部分Fe的晶格位置，已經(jīng)使磷酸亞鐵鋰的導(dǎo)電性提高了100萬倍以上?，F(xiàn)在，該材料制成的鋰離子電池，可以進(jìn)行10--20C甚至30C的大電流放電和充電，而且放電性能優(yōu)良。)
4、無記憶效應(yīng)；
5.、電性能，磷酸亞鐵鋰正極材料的鋰電池，可以使用大倍率充電，現(xiàn)在最快可在30分鐘內(nèi)將電池充滿。
具體的物理參數(shù)：
松裝密度：0.8g/cm
振實(shí)密度：1.1--1.4g/cm
中位粒徑：2.0--5.0um
比表面積<15m/g
涂片參數(shù)：
LiFePo4:C:PVDF=90:3:7
極片壓實(shí)密度：2.1-2.4g/cm
電化性能：
克容量>150mAh/g ，測(cè)試條件：半電池：0.2C，4--2.0V，大于154mAh；根據(jù)實(shí)際電池0.2C放電，放電電壓：3.65V--2.5V，溫度25℃，放電容量大于150mAh。
循環(huán)次數(shù)2000次
磷酸亞鐵鋰材料的現(xiàn)狀
磷酸亞鐵鋰是一種新型鋰離子電池電極材料。目前全球已經(jīng)有很多廠家開始了工業(yè)化生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)國(guó)際磷酸鐵鋰材料生產(chǎn)商有：
國(guó)內(nèi)：天津斯特蘭 北大先行 湖南瑞翔 蘇州恒正。其中天津斯特蘭現(xiàn)在材料穩(wěn)定批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，北大先行小批量生產(chǎn)，臺(tái)灣立凱電能，也實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。
國(guó)際：加拿大Phostech、美國(guó)Valence、美國(guó)A123、日本sony。 其中A123規(guī)模最大且得到美國(guó)政府的大力資助。
磷酸亞鐵鋰放電容量大，價(jià)格相對(duì)低廉，無毒性，不造成環(huán)境污染。世界各國(guó)正競(jìng)相研究，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
但是磷酸亞鐵鋰材料的振實(shí)密度低，影響了其制成電池后電容量的發(fā)揮。
目前主要的生產(chǎn)方法為活法，產(chǎn)品指標(biāo)不穩(wěn)定。
鋰離子電池的性能主要取決于正負(fù)極材料，磷酸亞鐵鋰作為鋰離子電池的正極材料是近幾年才出現(xiàn)的事，國(guó)內(nèi)開發(fā)出大容量磷酸亞鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環(huán)壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動(dòng)力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。1CDOD充放循環(huán)壽命達(dá)2000次。單節(jié)電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸。磷酸亞鐵鋰正極材料可以做成更大容量鋰離子電池，更易串聯(lián)使用。以滿足電動(dòng)車頻繁充放電的需要。其無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。
磷酸亞鐵鋰的研究狀況
正交橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4 正極材料已逐漸成為國(guó)內(nèi)外新的研究熱點(diǎn)。該新型正極材料集中了LiCoO2、LiCoxNiyMnzO2(x+y+z=1)、LiMn2O4 這3種目前在鋰離子電池上大量使用的正極材料的優(yōu)點(diǎn)：不含貴重元素，原料廉價(jià)，資源極大豐富；工作電壓適中（3.2V）；平臺(tái)特性好，電壓極平穩(wěn)（可與穩(wěn)壓電源媲美）；理論容量大（170mAh/g）；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全性能極佳（O 與P 以強(qiáng)共價(jià)鍵牢固結(jié)合，使材料很難析氧分解）；高溫性能和熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于已知的其它正極材料；循環(huán)性能好；充電時(shí)體積縮小，與碳負(fù)極材料配合時(shí)的體積效應(yīng)好；與大多數(shù)電解液系統(tǒng)兼容性好，儲(chǔ)存性能好；無毒，為真正的綠色材料。
與LiCoO2、LiCoxNiyMnzO2(x+y+z=1)、LiMn2O4 等正極材料相比，LiFePO4 正極材料在成本、高溫性能、安全性方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，可望成為中大容量、中高功率鋰離子電池首選的正極材料。
該材料的產(chǎn)業(yè)化和普及應(yīng)用對(duì)降低鋰離子電池成本，提高電池安全性，擴(kuò)大鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)鋰離子電池大型化、高功率化具有十分重大的意義，將使鋰離子電池在中大容量UPS、中大型儲(chǔ)能電池、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
然而，磷酸鐵鋰堆積密度低的缺點(diǎn)一直難以找到有效的解決方法，這阻礙了材料的實(shí)際應(yīng)用。鈷酸鋰的理論密度為5.1g/cm3，商品鈷酸鋰的振實(shí)密度一般為2.2-2.4g/cm3；而磷酸鐵鋰的理論密度僅為3.6g/cm3，本身就比鈷酸鋰要低得多。
為提高導(dǎo)電性，人們摻入導(dǎo)電碳材料，又顯著降低了材料的堆積密度，使得一般摻碳磷酸亞鐵鋰的振實(shí)密度只有1.0-1.3g/cm3。如此低的堆積密度使得磷酸亞鐵鋰的體積比容量比鈷酸鋰低很多，制成的電池體積大，成本相對(duì)較高，影響了實(shí)際應(yīng)用。
因此，提高磷酸亞鐵鋰的堆積密度和體積比容量對(duì)磷酸亞鐵鋰的實(shí)用化具有決定意義。粉體材料的顆粒形貌、粒徑及其分布直接影響材料的堆積密度，為此，人們對(duì)磷酸亞鐵鋰材料向球形方向進(jìn)行研究。研究和實(shí)際應(yīng)用表明，球形產(chǎn)品不僅具有堆積密度高、體積比容量大等突出優(yōu)點(diǎn)，而且還具有優(yōu)異的流動(dòng)性、分散性和可加工性能，十分有利于制作正極材料漿料和電極片的涂覆，提高極片品質(zhì)；此外，相對(duì)于無規(guī)則的顆粒，規(guī)則的球形顆粒表面比較容易包覆完整、均勻、牢固的修飾層，因此球形產(chǎn)品更有希望通過表面修飾進(jìn)一步改善綜合性能。
人們進(jìn)行濕法前驅(qū)體預(yù)處理、2次燒結(jié)的研究。在此基礎(chǔ)上，添加含碳的材料和過渡元素氧化物、稀土元素氧化物等方式，采用二價(jià)鐵鹽或三價(jià)鐵鹽、磷酸或磷酸鹽、氨水為原料，通過控制結(jié)晶技術(shù)合成高密度球形磷酸亞鐵前驅(qū)體，再與鋰源、碳源共混熱處理，通過碳熱還原法合成摻碳的高密度近球形磷酸亞鐵鋰。該磷酸亞鐵鋰粉體材料由單分散球形顆粒組成、粒徑可達(dá)到4.5-10μm、振實(shí)密度可達(dá)1.4-1.8g/cm3、可逆容量超過了150mAh/g，導(dǎo)電性提高了100萬倍的LiFePO4 正極材料，這對(duì)磷酸亞鐵鋰材料應(yīng)用到大容量、高功率的鋰離子電池上成為可能，極大地促進(jìn)該材料的產(chǎn)業(yè)化。
參考資料
1.
磷酸亞鐵鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀 ．中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)[引用日期2016-05-31]