磷酸鐵鋰介紹

鋰離子電池作為一種高性能的二次綠色電池，具有高電壓、高能量密度（包括體積能量、質量比能量）、低的自放電率、寬的使用溫度范圍、長的循環壽命、環保、無記憶效應以及可以大電流充放電等優點。鋰離子電池性能的改善，很大程度上決定于電極材料性能的改善，尤其是正極材料。目前研究最廣泛的正極材料有LiCoO2、LiNiO2以及LiMn2O4等，但由于鈷有毒且資源有限，鎳酸鋰制備困難，錳酸鋰的循環性能和高溫性能差等因素，制約了它們的應用和發展。因此，開發新型高能廉價的正極材料對鋰離子電池的發展至關重要。

1997年，Padhi等報道了具有橄欖石結構的磷酸鐵鋰（LiFePO4）能夠可逆地嵌脫鋰，且具有比容量高、循環性能好、電化學性能穩定、價格低廉等特點，是首選的新一代綠色正極材料，特別是作為動力鋰離子電池材料。磷酸鐵鋰的發現引起了國內外電化學界不少研究人員的關注，近幾年，隨著鋰電池的越來越廣的應用，對LiFePO4的研究越來越多。

磷酸鐵鋰的結構

磷酸鐵鋰（LiFePO4）具有橄欖石結構，為稍微扭曲的六方密堆積，其空間群是Pmnb型，晶型結構

LiFePO4由FeO6八面體和PO4四面體構成空間骨架，P占據四面體位置，而Fe和Li則填充在八面體空隙中，其中Fe占據共角的八面體位置，Li則占據共邊的八面體位置。晶格一個FeO6八面體與兩個FeO6八面體和一個PO4四面體共邊，而PO4四面體則與一個FeO6八面體和兩個LiO6八面體共邊。由于近乎六方堆積的氧原子的緊密排列，使得鋰離子只能在二維平面上進行脫嵌，也因此具有了相對較高的理論密度（3.6g/cm3）。在此結構中，Fe2+/Fe3+相對金屬鋰的電壓為3.4V，材料的理論比容量為170mA·h/g。在材料中形成較強的P-O-M共價鍵，極大地穩定了材料的晶體結構，從而導致材料具有很高的熱穩定性。

Wang等對LiFePO4的電化學性能做了詳細的分析，圖2.2是LiFePO4的循環載荷伏安圖，在C-V圖中形成兩個峰，在陽極掃描時Li+從LixFePO4結構中脫出，在3.52V形成氧化峰；當在4.0～3.0掃描時Li+嵌入到LixFePO4結構中，相應的在3.32V形成還原峰；C-V曲線中的氧化還原峰表明在LiFePO4電極上發生著可逆的鋰離子嵌脫反應。

磷酸鐵鋰的性能

1）高能量密度

其理論比容量為170mAh/g，產品實際比容量可超過140mAh/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；不含任何對人體有害的重金屬元素；

3）壽命長

在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上；（原因：磷酸鐵鋰晶格穩定性好，鋰離子的嵌入和脫出對晶格的影響不大，故而具有良好的可逆性。存在的不足是電極離子傳導率差，不適宜大電流的充放電，在應用方面受阻。解決方法：在電極表面包覆導電材料、摻雜進行電極改性。）

磷酸鐵鋰電池的使用壽命與其使用溫度息息相關，使用溫度過低或者過高在其充放電過程及使用過程均產生極大不良隱患。尤其在中國北方電動汽車上使用，在秋冬季磷酸鐵鋰電池無法正常供電或供電電源過低，需調節其工作環境溫度保持其性能。目前，國內解決磷酸鐵鋰電池恒溫工作環境需考慮空間限制問題，較普遍的解決方案是使用氣凝膠氈作為保溫層。

4）充電性能

磷酸鐵鋰正極材料的鋰電池，可以使用大倍率充電，最快可在1小時內將電池充滿。