如何提高磷酸鐵鋰材料的振實密度

時間:2018-11-23 14:57來源:電池視界 作者:綜合報道
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       磷酸鐵鋰作為常用的鋰離子電池正極材料以其安全性能好、循環(huán)性能優(yōu)異、環(huán)境友好、原料來源豐富等優(yōu)點，成為當前鋰離子電池正極材料的研究熱點之一。但是磷酸鐵鋰的缺點也制約著它的發(fā)展，振實密度低、實際比容量低是其相對于另一大熱的正極材料三元材料的一大短板。
 
        對磷酸鐵鋰材料的改進以及制備工藝主要集中在制備方法和材料改性兩方面。
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       下面介紹一些改善磷酸鐵鋰振實密度的途徑。
 
      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(guī)則的粉末顆粒不能緊密堆積，如果合成的LiFePO4粉末顆粒為不規(guī)則形貌，會造成產(chǎn)物的振實密度很低。一般來說，由規(guī)則的球形顆粒組成的粉體，因其不會有團聚和粒子架橋現(xiàn)象，從而具有較高的振實密度。得到規(guī)則球形顆粒的方法如下：
 
       1用高密度球形FePO4前驅(qū)體合成球形LiFePO4顆粒
 
       制得高密度球形前驅(qū)體是得到高密度球形產(chǎn)物的有效途徑之一。先合成高密度球形FePO4前驅(qū)物，再與其他原料混合均勻，通過高溫反應，使鋰通過球形前驅(qū)體顆粒表面的微孔向各方向均勻、同步地滲入前驅(qū)體的中心，保持球形形貌。此方法中，球形前驅(qū)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。
 
       2噴霧干燥法制備球形LiFePO4顆粒
 
       噴霧干燥(熱解)法是將各金屬鹽按制備復合型粉末所需的化學計量比配成前驅(qū)體溶液，經(jīng)霧化器霧化后，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(fā)、溶質(zhì)沉淀形成固體顆粒、顆粒干燥、顆粒熱分解和燒結(jié)成型等一系列的過程，最后形成規(guī)則的球形粉末顆粒。
 
       3熔鹽法制備球形LiFePO4顆粒
 
       熔鹽法通常采用一種或數(shù)種低熔點的鹽類作為反應介質(zhì)，合成過程會出現(xiàn)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(xiàn)原子尺度混合，反應就由固-固反應轉(zhuǎn)化為固-液反應。反應結(jié)束后，采用合適的溶劑將鹽類溶解，經(jīng)過濾洗滌后即可得到合成產(chǎn)物。
 
      二、粒徑分布
 
       LiFePO4的振實密度與顆粒的粒徑之間存在著密切的聯(lián)系。如果由球形顆粒組成的粉體具有理想的粒徑分布，使得小顆粒能盡量填補大顆粒之間的空隙，則可以進一步提高其振實密度，從而有利于提高電池的體積比容量。研究表明，納米級別的LiFePO4振實密度一般較低， 而微米級別的LiFePO4具有較高的振實密度。
 
       多孔材料可以實現(xiàn)高的振實密度：大顆粒的產(chǎn)物振實密度一般較高，但也會導致鋰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(fā)現(xiàn)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鋰離子的脫嵌距離;且多孔材料這種獨特的微觀結(jié)構(gòu)，使材料具有更大的比表面積，可使材料與電解液充分接觸，增大了鋰離子的擴散面積，提高了鋰離子的遷移速率，有利于解決LiFePO4擴散系數(shù)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(jié)構(gòu),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復雜，要想穩(wěn)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(xù)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。
 
(責任編輯：子蕊)
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