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化工原料常见问题

磷酸铁锂电池

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磷酸铁锂电池  

LiFePO4  

新能源动力电池  

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池具有安全性高、循环寿命长、倍率放电、耐高温等优点,被认为是新一代锂电池。  

1磷酸铁锂电池结构  

由图所示,左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极,由铝箔与电池正极连接,中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子可以通过而电子不能通过,右边是由碳(石墨)组成的电池负极,由铜箔与电池的负极连接。  

电池.png  

LiFePO4电池在充电时,正极中的锂离子通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中,负极中的锂离子通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。  

锂电池示意图.png

  

磷酸铁锂材料  

磷酸铁锂(LiFePO4,可简写为LFP),属于橄榄石型结构,Pnma空间群,理论比容量为170mAh/g,相对于Li/Li+的工作电压为3.4V,具有循环稳定性好、毒性低、热稳定性高和价格低廉等优势。  

三维空间网状橄榄石结构的LiFePO4,形成了一维的Li+传输通道,限制了Li+的扩散;同时,八面体FeO6共顶相连,使其电子电导率较低,在大倍率放电时极化较大。为解决LiFePO4材料较低的锂离子扩散和电子电导率,当前技术主要通过纳米化、碳包覆、掺杂等手段加以改善。  


LiFePO4材料充放电过程主要在LiFePO4及FePO4两相之间相互转变,即LiFePO4←→xFePO4+(1-x)LiFePO4+xLi++xe-,体积变化率小,使得材料极其稳定,因而磷酸铁锂材料及电池的安全和稳定性毋庸置疑。  

3  磷酸铁锂电池的主要材料  

1)磷酸铁锂正极材料  

磷酸铁锂电池正极材料体系可以分为天然磷铁锂矿和人工合成磷酸铁锂材料。其中,天然磷铁锂矿中含有Mn杂质,且易风化,其电化学性能较差,一般不直接用作磷酸铁锂正极材料。人工合成的磷酸铁锂正极材料,通过合成工艺可以有效地改善磷酸铁锂导电性差和锂离子扩散慢的问题,因此具有良好的电化学活性。  

2)石墨负极材料  

石墨的层状结构适合锂离子的脱嵌,对电解液的要求高。在首次充放电过程中,溶剂会共嵌入到石墨层间,引起体积膨胀,可直接导致石墨层的塌陷,恶化电极的循环性能。因此,需要对石墨进行改性,增加石墨与电解液的相容性,提高其可逆比容量和循环性能,形成稳定的SEI膜。目前的石墨负极主要分为天然石墨负极和人造石墨负极,其中对石墨负极的主要改性手段有表面氧化、表面包覆和掺杂。  

3)隔膜  

锂离子电池隔膜的分类方法繁多,比如根据基材、结构形貌以及用途来划分。从材料的种类出发,锂离子电池隔膜材料通常分为聚烯烃隔膜、无机复合隔膜、无纺布隔膜与聚合物电解质。由于聚烯烃材料具有绝缘度好、密度小、高强度机械性能和耐电化学腐蚀等优点,目前商业化锂离子电池的隔膜都是聚烯烃基材料,比如,PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)以及复合隔膜PP/PE/PP。  

商业化的磷酸铁锂电池大多采用涂陶瓷的湿法PE膜(陶瓷隔膜),表面涂覆一层纳米级氧化铝材料,经过特殊工艺处理,与基体粘接紧密,显著提高锂离子电池的耐高温性能和安全性能。陶瓷隔膜对表面涂覆的氧化铝一般要求颗粒尺寸均匀,能很好地粘接到隔膜上,又不会堵塞隔膜孔道,同时对氧化铝有特殊晶型结构的要求,保证氧化铝与电解液的相容性和浸润性。氧化铝涂层具有优异的耐高温性,在180℃以上还能保持完整形态,同时氧化铝涂层能中和电解液中游离的HF,提升电池耐酸性,安全性能得到提高。  

4)电解液  

磷酸铁锂电池的电解液主要是由溶剂、锂盐和电解液添加剂等组成。其中溶剂主要是碳酸酯溶剂,主要包括碳酸乙烯酯(EC)、二甲基碳酸酯(DMC)、二乙基碳酸酯(DEC)和碳酸丙烯酯(PC)等,能够保证形成有效的负极钝化膜、高的离子电导率和电化学稳定性。锂盐主要采用六氟磷酸锂(LiPF6),其中主要使用的添加剂是碳酸亚乙烯酯(VC),电解液中使用的添加剂相对三元材料较少。  

磷酸铁锂电池根据不同的应用场景也开发了一系列的高温电解液和低温电解液,通过改变锂盐和添加剂,可以提高磷酸铁锂电池的高温性能。

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