微波法制備鋰離子電池正極材料LiFePO4的性能研究

王守偉，蘇雪花，夏德強

(蘭州石化職業技術學院 石油化學工程學院，甘肅 蘭州 730060)

當今，鋰離子電池占據了電池的市場，而用作鋰離子電池正極材料的LiFePO4更是以其性能、價格、安全和環境的優勢獨占鰲頭 ，成為了當前研究的熱點之一[1]。磷酸亞鐵鋰做為鋰離子電池正極材料，具有來源廣泛、價格便宜、比能量高、熱穩定性好等很多優點，現在對它的研究比較普遍。

1 LiFePO4存在的問題及其解決途徑

通過之前研究發現發現，當LiFePO4充放電電流比較小的時侯，而且可以達到很高的比容量，當電流比較大的時，首次循環后就會有20%左右的容量衰減[2]。

Andersson提出的半徑模型(圖1a)和馬賽克模型(圖1b)對放電容量損失的原因加以解釋。在充電過程中，鋰離子和電子向外移動，但是鋰離子和電子脫出不完全，使得有一部分LiFePO4還未轉化。而在放電過程中，鋰離子重新進入FePO4區域，并且不活潑的LiFePO4表面包覆一層無定形的物質，使LiFePO4不能參加反應[3]。

圖1 鋰在LiFePO4顆粒中的脫、嵌示意圖 (a)半徑模型，(b)馬賽克模型

2 加熱時間對磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)結構的影響

本實驗采用家用微波爐為反應器，反應體系的溫度無法控制，因此只能以加熱時間及加熱功率作為參考因素。為了研究合成條件對樣品結構的影響，我們選擇加熱功率為320W，480W；加熱時間選擇7min，9min，11min，并分別繪出所得樣品的XRD衍射圖，見圖2。

圖2 320W時不同加熱時間制備的LiFePO4 XRD譜圖

由圖2可以看出，加熱時間分別為7min，9min，11min的譜圖中主相LiFePO4沒用生成，這可能是反應時間短，功率低的原因。而功率為640W時制備的樣品成磚紅色，經過初步鑒定，樣品中Fe2+的含量很少，因此沒有進行XRD測試。

圖3 480W時不同加熱時間制備的LiFePO4 XRD譜圖

3 微波法制備的磷酸亞鐵鋰的電化學性能

為了考察合成條件對樣品電化學性能的影響，還做了恒電流充放電試驗實驗，結果見圖4。

圖4 微波法合成的LiFePO4的首次放電曲線

通過圖4可以看出，當電壓在3.4～3.3V左右時，會出現一個相對比較平穩的放電平臺，由此說明對LiFePO4而言它的放電有兩個相存在，而且放電容量達到了85mAh/g左右。與高溫固相反應所得樣品相比較，放電容量比較低，這是因為包覆后的材料中含有比較多的雜質，主要成分含量比較少，使得放電容量較低。

為了考察微波合成法制備的磷酸亞鐵鋰在室溫下的循環性能測試，本實驗采用CR2025型扣式電池、LK2000B型電池充放電系統測試[5]。實驗結果如圖5。

由圖5可以明顯的看出，經過摻雜及包覆后的正極材料，盡管首次放電容量相對較低，但是具有良好的循環性能。循環40次后，放電容量會變為82.5mAh/g，此時放電容量只有3%的衰減量，這可能是因為在磷酸亞鐵鋰進行體相摻雜及表面包覆的原因。

圖5 微波法合成的LiFePO4循環性能曲線

4 結論

(1)采用微波加熱法制備的摻雜及包覆型的鋰離子電池正極材料磷酸亞鐵鋰首次放電容量達到了85mAh/g，并且在40次循環后，放電容量衰減了3%，這表現了微波加熱法是一種比較有前途的制備方法。

(2)微波加熱法存在著實驗溫度無法控制、加熱時間長后溫度聚升，導致Fe2+被氧化生成Fe3+，最終影響其放電容量等問題，具體解決辦法尚需進一步研究。