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通过研究制备工艺对产物性能的影响,得出结论:最优烧结温度在500~600℃。此条件下所得产物细而均匀,初始放电比容量在室温下可达165mA·h/g。烧结温度大于600℃时,其晶体的颗粒较大,电化学性能较差;温度小于500℃时,颗粒细小,但材料中存在XRD检测不出的非晶或纳米状态的Fe3+相杂质,对产物的电化学性能有较大的影响[41]。
(2) 水热法
由于在水热体系中氧气的溶解度较小,因此水热条件下无需惰性气氛,常以可溶性亚铁盐、锂盐和磷酸为原料直接合成LiFePO4。
Yang S.等[42]就是直接以水热法制备LiFePO4。他们将FeSO4、H3PO4和LiOH溶液按物质的量比为1.0∶1.0∶3.0的比例进行混合,LiOH溶液最后加入以防止Fe(OH)2氧化,混匀后pH值保持7.56,混合液快速转移至Parr反应器中,在120℃下加热5h以上。反应完毕冷却后溶液pH值为6.91,浅绿色沉淀过滤后洗净在40℃下干燥2h。多次试验发现pH值对结果影响不大,且合成时FeSO4可以用FeCl2或(NH4)2Fe(SO4)2代替。由于Fe(Ⅱ)盐很容易被氧化,因而产物中有时会出现红色杂质,但可以通过离心分离除去杂质。测得此材料平均粒径约为3μm,包覆碳后以0.14mA/cm2的电流密度充放电容量为100Ah/kg。因此他们认为水热法比高温固相法合成的晶体颗粒要小,Fe(Ⅱ)盐纯度更高。
水热法的制备过程简单,产物物相均一、粒径小,且无需惰性气氛。但是产量有限,生产用的高温高压反应器很难制造,不易实现工业化生产[42,43]。
(3) 共沉淀法
P.P.Prosini等[44]先在水溶液中合成无定形FePO4然后在乙脲有机溶液
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中用LiI还原得到合成前驱体,550℃煅烧1h后得到LiFePO4晶体,0.1C放电比容量可以达到160mAhg-1以上。
溶液中也可以直接生成LiFePO4的晶体。Charles Delacourt等在水溶液中直接共沉积生成了LiMnPO4[45]和LiFePO4材料[46]。他们以FeSO4·7H2O和H3PO4为原料,LiOH为PH值调节剂和Li源在PH值很窄的中性范围内直接合成了纳米级的LiFePO4,5C充放电倍率下可以得到147mAhg-1的容量。D.H.Ki等[47]在四甘醇有机溶液中以LiAc、Fe(Ac)2和NH4H2PO4为原料335℃加热回流16h直接得到了棒状纳米级LiFePO4,材料0.94C倍率放电容量可以接近理论值,60C达到50mAhg-1水平,且具有良好的循环性能。
由于共沉积法合成的材料前驱体活性较高且混合均匀,一般煅烧温度较低,材料粒径较小,材料可以达到较好的性能。还可以共沉积掺杂材料前驱体。得到很好性能。但在直接沉积合成中,很难得到掺杂材料,尤其是在制备振实密度较大的大颗粒且性能优良的材料时存在局限。此外,沉积废液的存在也限制了该法的实际应用。
(4) 溶胶-凝胶法
F Croce等[48]以三价铁的醋酸盐或硝酸盐为前驱体,混合化学计量的LiOH后加入抗坏血酸,然后再加入到H3PO4中,采用氨水调节pH值,加热至60℃得到凝胶。在350℃加热12h使凝胶分解,最后在800℃烧结得到LiFePO4。在C/5倍率下放电,得到的室温初始放电容量为110mAh g-1。合成过程中添加少量的金属Cu或Ag,室温初始放电容量达140mAhg-1。R.Dominko等[49]以C6H5FeO7,C6H8O7·H2O溶于60℃的水中;LiH2PO4等摩尔水溶液,两种溶液混合,60℃干燥24h,研磨得到干凝胶,惰性气氛加
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热10h。得LiFePO4/C多孔材料。材料内部为交联的微孔,孔径为纳米级或亚微级,平均孔径60~90nm,比表面积为20~25m2g-1。表面包覆碳厚度为1~2nm,具有微孔,孔径小于2nm,随碳含量的不同孔径分布也不同。材料平均电导率为5×10-4Scm-1。C/2充放电,容量达到140mAhg-1,5C达到80 mAhg-1。最近的研究中,表面活性剂被用于溶胶-凝胶法制备LiFePO4的过程中。Daiwon Choi用月桂酸做表面活性剂,制备出多孔的纳米级LiFePO4[50],该材料低倍率下放电比容量接近理论容量,10C下比容量达123mAhg-1,并表现出良好的循环性能。
该法具有前驱体溶液化学均匀性好(可达分子级水平)、凝胶热处理温度低粉体颗粒粒径小而且分布窄、粉体烧结性能好、反应过程易于控制、设备简单等优点;但干燥收缩大、工业化生产难度较大、合成周期较长。 1.3.3磷酸铁锂正极材料的研究进展
LiFePO4具有价廉、安全、环保等多种优势,是应用前景很好的锂离子电池正极材料,特别是在对成本、寿命、安全要求非常苛刻的电动汽车应用领域非常被看好。但另一方面,在LiFePO4正极材料的合成和实用化过程中存在如下问题: (l)Fe+2易被氧化为Fe+3;
(2)高温合成过程中颗粒生长不易控制;
(3)电导率低,从而导致LiFePO4的合成困难,高倍率充放电性能较差。近期在克服这些困难方面取得了许多重大突破,并产生了许多新工艺,制备出高倍率性能优良的LiFePO4粉体,概括包括:1)采用惰性、还原气氛或
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原位生成还原气氛来抑制Fe+2的氧化;2)碱地合成粒径分布均匀、具有高比表面积的材料以提高活性材料的利用率;3)通过添加导电剂或掺杂等方式来提高电导率。
此外,高温下的电化学循环也是增加其可逆容量的有效途径之一[51]。 针对LiFePO4的振实密度较低、离子电导率和离子扩散率不高以及比容量不高的缺陷,很多工作者对LiFePO4正极材料进行了改性研究。 1面包覆改性
为了改善材料的导电性能,表面包覆是一种常用的方法,通过表面包覆改性不仅能够提高粒子之间的电子导电率,减少电池的极化,而且还能够为LiFePO4正极材料提供电子隧道,补偿材料在嵌脱锂过程中的电荷平衡。Armand首先提出通过包覆碳及加碳制成复合材料这一设想来对磷酸铁锂进行改性和修饰,通过在合成LiFePO4前包覆碳的有机化合物前驱体容量可达150mAh/g,循环10次后,只有1%的容量损失[52]。P.P.Prosini等在合成LiFePO4时添加高比表面积的碳黑,在80℃时以C/10倍率放电,比容量接近理论容量。在室温以C/2倍率放电,循环230次后比容量仍有95mAh/g[53].H.Huang等采用CH3COOLi、Fe(CH3C00)2和NH4H2PO4与由间苯二酚甲醛形成的碳凝胶混合烧结得到的LiFePO4/C复合材料,在室温以C/2倍率放电,其首次容量可达162mAh/g;以C/5倍率放电时,循环100次之内循环效率大于99.9%[54]。在04年召开的第11届国际锂电池会议上,S.Y.Chung等采用了85%活性材料+10%超磷碳+5%PVDF,可以获得很好的室温导电性,其值为3x10-3S/cm,超过了LiCoO2(10-3S/cm)和LiMn2O4(10-4S/cm),没有经过这种处理的磷酸铁锂的电导率为10-8S/cm。电
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化学测试表明:在1.1C的倍率下,初始容量为125mAh/g;在2.3C的倍率下,初始容量为95mAh/g,库仑效率为99%[55]。J.R.Dahn等比较了不同的碳包覆条件:一种是合成纯净的LiFePO4之后包覆碳;一种是加热之前把蔗糖和其它反应物一起混合;另一种合成方法是加热之前把蔗糖和其它反应物混合,然后再包覆碳。上述样品最终的碳含量分别为2.7%,3.5%和62%(重量百分含量)。电化学测试表明后两种方法合成的样品容量可同H.Huang等合成的LiFePO4/C(碳的重量含量15%)复合材料相比[56]。在特殊的合成方法中,金属粉体可以充当LiFePO4颗粒生长的成核剂,有助于获得细小而均匀的粉体,也可增强总的电子导电率。F.Croce等采用溶胶凝胶法以Li(OH)、Fe(NO3)和H3PO4溶液为原料,添加少量的金属(银和铜,质量百分含量1%)作为分散剂,合成的LIFePO4的性能大为提高。在室温下用锂片作对电极LiCiO4EC-DEC(1:1)作为电解液C/5倍率放电,初始容量有140mAh/g,循环30次后仍有130 mAh/g。添加的金属粉并没有影响阴极材料的结构但却显著的增强了其容量和循环性能[57]。 2掺杂改性
通过表面包覆碳黑或者金属粉末来制备LiFePO4/复合材料,只能改善LiFePO4活性颗粒之间的导电性,并不能改善LiFePO4颗粒内部的导电性,而且会对材料的振实密度带来不利的影响,使得其体积比容量下降,为了改善LiFePO4颗粒内部的导电性,很多学者对其进行了掺杂改性研究[58-60]。Chung S.Y[61.62]等成功开发了LiFePO4掺杂技术,往其结构中掺杂少量的金属离子(如:Mg2+、Ni+、Ti4+等),可以显著提高材料的导电率。
此外,还有很多研究人员对LiFePO4正极材料进行了深入的研究,为
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