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提升磷酸鐵鋰電池性能的方法

雖然磷酸鐵鋰(LiFePO)與其它鋰離子電池正極材料相比,更加安全、更加環保、成本更加低廉,但是仍然存在著致命的弱點:一是電導率低,大電流放電性能較差;二是振實密度低,電池容量和能量密度低。那么提升磷酸鐵鋰電池性能的方法有哪些呢?

磷酸鐵鋰電池

1、碳具有優良的導電性能,在磷酸鐵鋰的合成過程中,摻雜或包覆導電碳是一種提高磷酸鐵鋰導電性能的簡單而有效的辦法。加入少量的碳,一方面通過碳與LifePO;的直接接觸增強顆粒之間的電子傳導能力,提高磷酸鐵鋰的導電性能;另一方面可以在一定程度上抑制LiFePO,顆粒的生長,降低顆粒粒徑,縮短充放電過程中Lit的擴散路徑,間接提高磷酸鐵鋰的倍率特性。摻雜或包覆碳所使用的碳源分為無機碳源和有機碳源,無機碳源有乙炔黑、石墨、SP等各種形式的炭材料,有機碳源有葡萄糖、蔗糖、檸檬酸、聚丙烯、聚乙烯醇等有機物和高分子。碳的密度較低,在提高磷酸鐵鋰導電性的同時也會降低它的振實密度,因此,在保證導電性的同時碳的加入量越少越好。

2、在磷酸鐵鋰中摻雜金屬離子,是提高磷酸鐵鋰顆粒內部導電性的有效手段之一。摻雜金屬離子進入晶體后,會造成材料內部晶格缺陷,從而在根本上提高材料的導電性能。和碳摻雜或碳包覆相比,金屬離子摻雜不會降低材料的振實密度,有利于提高磷酸鐵鋰電池的能量密度。

降低顆粒粒徑至納米級,改善可逆容量和循環性能,引入稀土離子是提高磷酸鐵鋰材料電化學性能的有效方法。

3、減小磷酸鐵鋰的顆粒尺寸有助于縮短充放電過程中鋰離子的擴散路徑,增大鋰離子的擴散速率,提高大電流充放電性能。采用液相化學合成方法(如共沉淀法、溶膠-凝膠法)有利于減小顆粒尺寸。但是粒徑太小會降低材料的振實密度,增大材料的比表面積,不利于電極的加工和電池能量密度的提高。適度控制材料的顆粒尺寸,是優化材料綜合性能的關鍵技術之一。

改性的方法包括摻雜導電碳或在磷酸鐵鋰顆粒表面包覆碳、金屬包覆、金屬離子摻雜和粒徑控制等。目前研究較多的仍然是碳摻雜(或包覆)與金屬離子摻雜,包覆能將電導率提高到10-S/cm左右,摻雜更是能將電導率提高8倍,高倍率充放電性能得到改善,在一定程度上抑制了容量衰減。磷酸鐵鋰產業化的實踐也證明了碳摻雜(或包覆)與金屬離子摻雜能解決磷酸鐵鋰電導率低的問題。

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