如何提高磷酸鐵鋰材料的振實(shí)密度
時(shí)間:2018-11-23 14:57來源:電池視界 作者:綜合報(bào)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(diǎn)，成為當(dāng)前鋰離子電池正極材料的研究熱點(diǎn)之一。但是磷酸鐵鋰的缺點(diǎn)也制約著它的發(fā)展，振實(shí)密度低、實(shí)際比容量低是其相對(duì)于另一大熱的正極材料三元材料的一大短板。
對(duì)磷酸鐵鋰材料的改進(jìn)以及制備工藝主要集中在制備方法和材料改性兩方面。
下面介紹一些改善磷酸鐵鋰振實(shí)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(duì)LiFePO4的振實(shí)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(huì)造成產(chǎn)物的振實(shí)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(huì)有團(tuán)聚和粒子架橋現(xiàn)象，從而具有較高的振實(shí)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(yīng)，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(yīng)過程中由于擴(kuò)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(fù)合型粉末所需的化學(xué)計(jì)量比配成前驅(qū)體溶液，經(jīng)霧化器霧化后，由載氣帶入設(shè)定溫度的反應(yīng)爐中，在反應(yīng)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(diǎn)的鹽類作為反應(yīng)介質(zhì)，合成過程會(huì)出現(xiàn)液相，反應(yīng)物在其中有一定的溶解度，這大大加快了反應(yīng)物離子的擴(kuò)散速率，使反應(yīng)物在液相中實(shí)現(xiàn)原子尺度混合，反應(yīng)就由固-固反應(yīng)轉(zhuǎn)化為固-液反應(yīng)。反應(yīng)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(shí)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(bǔ)大顆粒之間的空隙，則可以進(jìn)一步提高其振實(shí)密度，從而有利于提高電池的體積比容量。研究表明，納米級(jí)別的LiFePO4振實(shí)密度一般較低， 而微米級(jí)別的LiFePO4具有較高的振實(shí)密度。
多孔材料可以實(shí)現(xiàn)高的振實(shí)密度：大顆粒的產(chǎn)物振實(shí)密度一般較高，但也會(huì)導(dǎo)致鋰離子在固體材料中的擴(kuò)散路徑變長，材料的電化學(xué)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(jí)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(dú)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(kuò)散面積，提高了鋰離子的遷移速率，有利于解決LiFePO4擴(kuò)散系數(shù)小所導(dǎo)致的電化學(xué)性能差的問題。由于制備多孔材料時(shí)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(shí)密度的同時(shí)，也能具有良好的電化學(xué)性能。
三、碳包覆
研究表明碳包覆能增強(qiáng)LiFePO4顆粒之間的導(dǎo)電性，使其電化學(xué)性能有明顯改善。但是過量的碳將嚴(yán)重降低LiFePO4的振實(shí)密度。選擇合適的碳源，改進(jìn)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(shí)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(dǎo)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(shí)密度，從而提高LiFePO4的體積比容量。
目前在提高LiFePO4振實(shí)密度的研究方面取得了一定的進(jìn)展，但還存在一些問題。LiFePO4的形貌和粒度控制工藝通常很復(fù)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(duì)LiFePO4的振實(shí)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。
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