喷雾干燥法制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂

叶向果

(新疆有色金属研究所乌鲁木齐830000)

喷雾干燥法制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂

叶向果

(新疆有色金属研究所乌鲁木齐830000)

采用喷雾干燥法合成了LiFePO4/C正极材料，采用X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、恒电流充放电测试对样品形貌及电化学性能进行了表征和测试。研究结果表明，该方法制备的球状LiFePO4/C正极材料具有优良的电化学性能。

喷雾干燥法LiFePO4/C电化学性能

锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解质、隔膜等组成。正极材料无论是在成本上还是在性能上都制约着锂离子电池的发展，因而新型电极材料特别是正极材料的研究与开发是推动锂离子电池技术更新的关键。目前，国内外市场上主要的正极材料为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰三元材料，与其他正极材料相比，磷酸铁锂具有以下优点[1-3]：（1）比容量高：理论比容量可达170 mAh/g，产品实际比容量可超过140 mAh/g（0.2C,25°C）；（2）安全性好：是目前最安全的锂离子电池正极材料，不含任何对人体有害的重金属元素；（3）循环寿命长：在100%DOD条件下，可以充放电2 000次以上；（4）热稳定性好：P-O共价键形成离域的三维立体化学键，限制了晶体结构的变化，使LiFePO4具有很强的热力学稳定性；（5）原材料来源广泛、价格便宜。

鉴于以上优点，橄榄石型LiFePO4被认为是混合型电动车及电动车发动能源用新一代大规模锂离子电池最有前景的候选阴极材料，在科研和生产领域获得了持续关注。

1 实验

1.1 LiFePO4/C的制备

按1.03∶1的比例称取原料LiOH和FePO4加入立式球磨罐中，同时加入一定量的纯净水，球磨约5 min后加入一定量的碳源，球磨3 h后取出浆料打入喷雾干燥机中进行喷雾干燥，设定进口温度200℃～250℃，出口温度＜100℃，物料干燥后放入气氛炉中先进行低温煅烧2 h，在高温煅烧6 h后得到LiFePO4/C正极材料。

1.2 LiFePO4/C电极的制备及电化学性能测试

将正极材料先用玛瑙研钵充分研磨，后称取一定量与乙炔黑、PVDF混合，加入NMP搅拌使其混合均匀，之后将浆料均匀的涂在铝箔上，真空干燥24 h。以锂片为负极，采用Celgard 2 400隔膜，电解液溶液采用EC（碳酸乙烯酯）+DMC（1,2-二甲基碳酸酯）+1 mol/LLiPF6。在氩气保护手套箱内组装成实验电池，用电池测试系统进行电性能测试。

2 结果与讨论

2.1 LiFePO4/C材料的结构和形貌分析

图1 LiFePO4/C正极材料的XRD图谱

由图1可以看出：衍射图谱与JCPD83-2092号标准图谱很相似，主要特征峰（2θ=20.70°，25.63°，29.67°，35.52°）明显，而且吸收峰峰形尖锐，衍射强度高、背底平坦、无杂相生成，说明该材料结晶性好，具有高度有序的橄榄石型结构且结构稳定。

由图2(a)可以看出：前躯体的颗粒都呈球形或近似球形，且部分为窝窝头型，粒径在10～20 μm。而图2(b)显示的LiFePO4/C样品基本上保持了前躯体原有的颗粒形状，以直径为10～20 μm的颗粒居多。这说明在焙烧时前躯体的球形颗粒之间并没有发生固相反应，LiFePO4/ C晶粒的生长被限制在一个球形颗粒之间，可以得到细小的LiFePO4/C晶粒，而细小的晶粒对LiFePO4/C的电性能有利。

图2 (a)前躯体粉末的SEM像

图2 (b)LiFePO4/C前驱体和LiFePO4/C的SEM图

2.2 LiFePO4/C材料电性能测试

图3 LiFePO4/C的首次放电图

图3 为该批LiFePO4/C为正极材料制作的扣式电池分别在0.2C、0.5C和1C倍率下的放电曲线图。从图中可以看出，电池的放电平台为3.4 V，放电平台非常平坦。在0.2 C、0.5 C和1 C倍率下的放电容量分别为155 mAh/ g、142 mAh/g和135 mAh/g。

3 小结

采用喷雾干燥法加高温煅烧合成出LiFePO4/C正极材料，高温煅烧后仍保持球状的LiFePO4/C正极材料具有优异的电化学性能，小电流（0.2C）和大电流（1C）下的比容量分别为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

项目是自治区科研机构创新发展专项资金《新疆有色金属科研与产业化创新基地建设》，项目编号2013005