噴霧干燥法制備鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰

葉向果

(新疆有色金屬研究所烏魯木齊830000)

噴霧干燥法制備鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰

葉向果

(新疆有色金屬研究所烏魯木齊830000)

采用噴霧干燥法合成了LiFePO4/C正極材料，采用X-射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、恒電流充放電測試對樣品形貌及電化學性能進行了表征和測試。研究結果表明，該方法制備的球狀LiFePO4/C正極材料具有優良的電化學性能。

噴霧干燥法LiFePO4/C電化學性能

鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、電解質、隔膜等組成。正極材料無論是在成本上還是在性能上都制約著鋰離子電池的發展，因而新型電極材料特別是正極材料的研究與開發是推動鋰離子電池技術更新的關鍵。目前，國內外市場上主要的正極材料為鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳三元材料，與其他正極材料相比，磷酸鐵鋰具有以下優點[1-3]：（1）比容量高：理論比容量可達170 mAh/g，產品實際比容量可超過140 mAh/g（0.2C,25°C）；（2）安全性好：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）循環壽命長：在100%DOD條件下，可以充放電2 000次以上；（4）熱穩定性好：P-O共價鍵形成離域的三維立體化學鍵，限制了晶體結構的變化，使LiFePO4具有很強的熱力學穩定性；（5）原材料來源廣泛、價格便宜。

鑒于以上優點，橄欖石型LiFePO4被認為是混合型電動車及電動車發動能源用新一代大規模鋰離子電池最有前景的候選陰極材料，在科研和生產領域獲得了持續關注。

1 實驗

1.1 LiFePO4/C的制備

按1.03∶1的比例稱取原料LiOH和FePO4加入立式球磨罐中，同時加入一定量的純凈水，球磨約5 min后加入一定量的碳源，球磨3 h后取出漿料打入噴霧干燥機中進行噴霧干燥，設定進口溫度200℃～250℃，出口溫度＜100℃，物料干燥后放入氣氛爐中先進行低溫煅燒2 h，在高溫煅燒6 h后得到LiFePO4/C正極材料。

1.2 LiFePO4/C電極的制備及電化學性能測試

將正極材料先用瑪瑙研缽充分研磨，后稱取一定量與乙炔黑、PVDF混合，加入NMP攪拌使其混合均勻，之后將漿料均勻的涂在鋁箔上，真空干燥24 h。以鋰片為負極，采用Celgard 2 400隔膜，電解液溶液采用EC（碳酸乙烯酯）+DMC（1,2-二甲基碳酸酯）+1 mol/LLiPF6。在氬氣保護手套箱內組裝成實驗電池，用電池測試系統進行電性能測試。

2 結果與討論

2.1 LiFePO4/C材料的結構和形貌分析

圖1 LiFePO4/C正極材料的XRD圖譜

由圖1可以看出：衍射圖譜與JCPD83-2092號標準圖譜很相似，主要特征峰（2θ=20.70°，25.63°，29.67°，35.52°）明顯，而且吸收峰峰形尖銳，衍射強度高、背底平坦、無雜相生成，說明該材料結晶性好，具有高度有序的橄欖石型結構且結構穩定。

由圖2(a)可以看出：前軀體的顆粒都呈球形或近似球形，且部分為窩窩頭型，粒徑在10～20 μm。而圖2(b)顯示的LiFePO4/C樣品基本上保持了前軀體原有的顆粒形狀，以直徑為10～20 μm的顆粒居多。這說明在焙燒時前軀體的球形顆粒之間并沒有發生固相反應，LiFePO4/ C晶粒的生長被限制在一個球形顆粒之間，可以得到細小的LiFePO4/C晶粒，而細小的晶粒對LiFePO4/C的電性能有利。

圖2 (a)前軀體粉末的SEM像

圖2 (b)LiFePO4/C前驅體和LiFePO4/C的SEM圖

2.2 LiFePO4/C材料電性能測試

圖3 LiFePO4/C的首次放電圖

圖3 為該批LiFePO4/C為正極材料制作的扣式電池分別在0.2C、0.5C和1C倍率下的放電曲線圖。從圖中可以看出，電池的放電平臺為3.4 V，放電平臺非常平坦。在0.2 C、0.5 C和1 C倍率下的放電容量分別為155 mAh/ g、142 mAh/g和135 mAh/g。

3 小結

采用噴霧干燥法加高溫煅燒合成出LiFePO4/C正極材料，高溫煅燒后仍保持球狀的LiFePO4/C正極材料具有優異的電化學性能，小電流（0.2C）和大電流（1C）下的比容量分別為155 mAh/g和135 mAh/g。

[1]PADHI A K,NANJUNDASWAMY K S,GOODENOUGH J B.Phospho-olivines aspositive-electrode materials for rechargeablelithium batteries[J].Journal of the Electrochemical Society,1997, 144(4):1l88-1194.

[2]CHUNG S Y,BLOKING J T,CHIANG Y M.Electronicallyconductive phospho-olivines as lithium storage electrodes[J]. Nature Materials,2002,l(2):123-128.

[3]PIROSINI P P,LISI M,ZANE D,PASQUALI M.Determinationof the chemical diffusion coefficient of lithium in LiFePO4[J]. Solid State Ionics,2002,148:45-51.

收稿：2014-04-03

項目是自治區科研機構創新發展專項資金《新疆有色金屬科研與產業化創新基地建設》，項目編號2013005