磷酸鐵鋰的晶格結(jié)構(gòu)圖

磷酸鐵鋰在自然界中以磷鐵鋰礦的形式存在，具有有序的橄欖石結(jié)構(gòu)。磷酸鋰鐵化學(xué)分子式為：LiMPO4，其中鋰為正一價(jià);中心金屬鐵為正二價(jià);磷酸根為負(fù)三價(jià)，常用作鋰電池正極材料。磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域有：儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)工具類、輕型電動(dòng)車輛、大型電動(dòng)車輛、小型設(shè)備和移動(dòng)電源，其中新能源電動(dòng)車用磷酸鐵鋰約占磷酸鐵鋰總量的45%。

二、磷酸鐵鋰作鋰電正極材料

與其他鋰電池正極材料相比，橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰更具有安全、環(huán)保、廉價(jià)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，是最具潛力的鋰離子電池正極材料之一。

安全性能高

磷酸鐵鋰晶體中有穩(wěn)固的P-O鍵，難以分解，在過(guò)充和高溫時(shí)不會(huì)結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或生成強(qiáng)氧化物，過(guò)充安全性較高。

循環(huán)壽命長(zhǎng)

鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，使用壽命在1~1.5年之間。而磷酸鐵鋰電池循環(huán)次數(shù)可達(dá)2000以上，理論上使用壽命能達(dá)7~8年。

高溫性能好

磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只有200℃左右。

環(huán)保

磷酸鐵鋰電池一般被認(rèn)為不含重金屬和稀有金屬，無(wú)毒，無(wú)污染，是絕對(duì)的綠色環(huán)保電池。

磷酸鐵鋰作為正極材料的充放電作用機(jī)理不同于其他傳統(tǒng)材料，其充放電參與電化學(xué)反映的是磷酸鐵鋰的磷酸鐵兩相，充放電反應(yīng)如下：

充電反應(yīng)：

LiFePO4 -xLi+ - xe- → xFePO4 + (1-x)LiFePO4

放電反應(yīng)：

FePO4 + xLi+ + xe- → xLiFePO4 + (1-x)FePO4

充電時(shí)，Li+ 從LiFePO4中脫離出來(lái)，F(xiàn)e2+ 失去一個(gè)電子變成 Fe3+;放電時(shí)，Li+ 嵌入磷酸鐵中變成 LiFePO4 。Li+ 的變化發(fā)生在LiFePO4 / FePO4 界面，因此其充放電曲線非常平坦，電位也較穩(wěn)定，適合做電極材料。

三、磷酸鐵鋰的制備

制備磷酸鐵鋰的原料豐富。部分常見鋰源、鐵源、碳源、磷源如下：

磷酸鐵鋰粉體的制備在一定程度上會(huì)影響其作為正極材料的性能。目前制備磷酸鐵鋰的方法很多，如高溫固相反應(yīng)法、碳熱還原法以及尚未規(guī)模化的水熱法、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。

1.高溫固相反應(yīng)法

高溫固相反應(yīng)法是制備磷酸鐵鋰是目前發(fā)展最為成熟也是使用最廣泛的方法。將鐵源、鋰源、磷源按化學(xué)計(jì)量比均勻混合干燥后，在惰性氣氛下，首先在較低溫度(300~350℃)下燒結(jié)5~10h，使原材料初步分解，然后再在高溫(600~800℃)下燒結(jié)10~20h得到橄欖石型磷酸鐵鋰。

高溫固相法合成磷酸鐵鋰工藝簡(jiǎn)單，制備條件容易控制，缺點(diǎn)是晶體尺寸較大，粒徑不易控制、分布不均勻，形貌也不規(guī)則，產(chǎn)品倍率特性差。

2.碳熱還原法

碳熱還原法是在原材料混合中加入碳源(淀粉、蔗糖等)做還原劑，通常和高溫固相法一起使用，碳源在高溫煅燒中可以將Fe3+ 還原為Fe2+ ，避免了反應(yīng)過(guò)程中Fe2+變成Fe3+，使合成過(guò)程更加合理，但是反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)條件的控制更為嚴(yán)苛。

3.噴霧熱解法

噴霧熱解法是一種得到均勻粒徑和規(guī)則形狀的磷酸鐵鋰粉體的有效手段。前驅(qū)體隨載氣噴入450~650℃的反應(yīng)器中，高溫反應(yīng)后得到磷酸鐵鋰。噴霧熱解法制備的前驅(qū)體霧滴球形度較高、粒度分布均勻，經(jīng)過(guò)高溫反應(yīng)后會(huì)得到類球形的磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰球形化有利于增加材料的比表面積，提高材料的體積比能量。

4.水熱法

水熱法屬于液相合成法，是指在密封的壓力容器中以水為溶劑，通過(guò)原料在高溫高壓的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)濾洗滌、烘干后得到納米前驅(qū)體，最后經(jīng)高溫煅燒后即可得到磷酸鐵鋰。水熱法制備磷酸鐵鋰具有容易控制晶型和粒徑，物相均一，粉體粒徑小，過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但需要高溫高壓設(shè)備，成本高，工藝比較復(fù)雜。

除上述方法外還有共沉淀法、溶膠-凝膠法、氧化-還原法、乳化干燥法、微波燒結(jié)法等多種方法。

四、總結(jié)

盡管磷酸鐵鋰的制備方法較多，但是除高溫固相反應(yīng)法得以工業(yè)化應(yīng)用以外，大都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。隨著對(duì)磷酸鐵鋰制備及改性等技術(shù)研究的不斷深入，磷酸鐵鋰作正極材料的產(chǎn)業(yè)化速度也會(huì)不斷加快。

來(lái)源：中國(guó)選礦技術(shù)網(wǎng)