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提升磷酸铁锂电池性能的方法

虽然磷酸铁锂(LiFePO)与其它锂离子电池正极材料相比,更加安全、更加环保、成本更加低廉,但是仍然存在着致命的弱点:一是电导率低,大电流放电性能较差;二是振实密度低,电池容量和能量密度低。那么提升磷酸铁锂电池性能的方法有哪些呢?

磷酸铁锂电池

1、碳具有优良的导电性能,在磷酸铁锂的合成过程中,掺杂或包覆导电碳是一种提高磷酸铁锂导电性能的简单而有效的办法。加入少量的碳,一方面通过碳与LifePO;的直接接触增强颗粒之间的电子传导能力,提高磷酸铁锂的导电性能;另一方面可以在一定程度上抑制LiFePO,颗粒的生长,降低颗粒粒径,缩短充放电过程中Lit的扩散路径,间接提高磷酸铁锂的倍率特性。掺杂或包覆碳所使用的碳源分为无机碳源和有机碳源,无机碳源有乙炔黑、石墨、SP等各种形式的炭材料,有机碳源有葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、聚丙烯、聚乙烯醇等有机物和高分子。碳的密度较低,在提高磷酸铁锂导电性的同时也会降低它的振实密度,因此,在保证导电性的同时碳的加入量越少越好。

2、在磷酸铁锂中掺杂金属离子,是提高磷酸铁锂颗粒内部导电性的有效手段之一。掺杂金属离子进入晶体后,会造成材料内部晶格缺陷,从而在根本上提高材料的导电性能。和碳掺杂或碳包覆相比,金属离子掺杂不会降低材料的振实密度,有利于提高磷酸铁锂电池的能量密度。

降低颗粒粒径至纳米级,改善可逆容量和循环性能,引入稀土离子是提高磷酸铁锂材料电化学性能的有效方法。

3、减小磷酸铁锂的颗粒尺寸有助于缩短充放电过程中锂离子的扩散路径,增大锂离子的扩散速率,提高大电流充放电性能。采用液相化学合成方法(如共沉淀法、溶胶-凝胶法)有利于减小颗粒尺寸。但是粒径太小会降低材料的振实密度,增大材料的比表面积,不利于电极的加工和电池能量密度的提高。适度控制材料的颗粒尺寸,是优化材料综合性能的关键技术之一。

改性的方法包括掺杂导电碳或在磷酸铁锂颗粒表面包覆碳、金属包覆、金属离子掺杂和粒径控制等。目前研究较多的仍然是碳掺杂(或包覆)与金属离子掺杂,包覆能将电导率提高到10-S/cm左右,掺杂更是能将电导率提高8倍,高倍率充放电性能得到改善,在一定程度上抑制了容量衰减。磷酸铁锂产业化的实践也证明了碳掺杂(或包覆)与金属离子掺杂能解决磷酸铁锂电导率低的问题。

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