磷酸鐵鋰作為鋰離子電池的正極材料

深圳市的公交車(chē)已基本實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，所使用的鋰離子電池正極材料是磷酸鐵鋰電池。

古德納夫（Goodenough）于1997年發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰可以作為鋰離子電池的正極材料。磷酸鐵鋰的化學(xué)式為L(zhǎng)iFePO4，具備橄欖石類(lèi)型的晶體結(jié)構(gòu)，磷氧四面體（PO43-）組成了鋰離子一維的運(yùn)輸通道。

充電時(shí)，鋰離子（Li+）從磷酸鐵鋰（LiFePO4）中脫離，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿徼F（FePO4），反應(yīng)式如下：

LiFePO4→Li++e-+FePO4

放電時(shí)，磷酸鐵鋰嵌入磷酸鐵中，轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿徼F鋰，反應(yīng)式如下：

Li++e-+FePO4→LiFePO4

在脫嵌鋰前后，材料結(jié)構(gòu)保持不變，這是磷酸鐵鋰材料的優(yōu)點(diǎn)之一。

圖片來(lái)源：根據(jù)學(xué)堂在線(xiàn)《鋰離子電池材料與技術(shù)》資料制作

磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)主要由P-O（磷氧共價(jià)鍵）形成的磷氧四面體所構(gòu)成，相比于鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)，具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，這是磷酸鐵鋰電池第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。（含個(gè)人理解）

磷酸鐵鋰的缺點(diǎn)：電導(dǎo)率低，為10-9S/cm；離子擴(kuò)散速率較低，為10-15~10-10cm2/s。因此磷酸鐵鋰作為鋰離子正極材料表現(xiàn)出較差的倍率性能（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資料理解：不同電池在同一倍率下充放電的電能與其理論的電容量的比值不同，描述電池在某一倍率下上述比值大小指標(biāo)被稱(chēng)為倍率性能，倍率性能越好，充放電越徹底），早期產(chǎn)業(yè)推廣不順利。

直到加拿大魁北克水電公司提出使用碳材料在磷酸鐵鋰表面進(jìn)行包覆才解決磷酸鐵鋰材料電導(dǎo)率低的問(wèn)題，拉開(kāi)了磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)化的序幕。

磷酸鐵鋰的其他缺點(diǎn)：磷酸鐵鋰的理論克容量相對(duì)較低，為170mAh/g；電壓平臺(tái)也相對(duì)較低，為3.2V；極片壓實(shí)密度不高，相比于其他正極材料，其能量密度不具有優(yōu)勢(shì)。

綜上，結(jié)合磷酸鐵鋰的優(yōu)缺點(diǎn)，磷酸鐵鋰正極材料適合應(yīng)用于對(duì)能量密度要求相對(duì)不高，但對(duì)安全性要求嚴(yán)苛的大型電池應(yīng)用領(lǐng)域，如電動(dòng)公交車(chē)、儲(chǔ)能電站等。

同時(shí)，磷、鐵在中國(guó)儲(chǔ)量十分豐富，決定了磷酸鐵鋰的價(jià)格相對(duì)低廉。目前，中國(guó)已成為全球最大的磷酸鐵鋰生產(chǎn)國(guó)。伴隨著鋰離子電池產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越青睞于磷酸鐵鋰正極材料。

磷酸鐵鋰材料的制備：

目前大規(guī)模量產(chǎn)的制備方法是高溫固相法，高溫固相法的原料主要包括碳酸鋰（Li2CO3）、磷酸鐵（FePO4）、碳（C）源等。

各種原料按照一定質(zhì)量比充分混合后，加入去離子水溶解分散，分散均勻形成的混合液經(jīng)過(guò)噴霧干燥后形成微米級(jí)混合均勻的原料顆粒，在惰性氣氛下（保證原料不與環(huán)境氣體反應(yīng)）高溫?zé)Y(jié)，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

2Li2CO3+4FePO4→4LiFePO4+2CO2+O2

生成磷酸鐵鋰，此時(shí)磷酸鐵鋰處于團(tuán)聚狀態(tài)。再經(jīng)過(guò)納米化處理，制成納米級(jí)別碳包覆磷酸鐵鋰正極材料。

圖片來(lái)源：學(xué)堂在線(xiàn)《鋰離子電池材料與技術(shù)》

審核編輯：劉清