磷酸铁锂
中中南南大大学学冶冶金金科学学与与工工程程学学院院
一、发展背景
能源危机与能源安全是当前世界各国面临的严峻挑战 改善能源结构，实现能源多元化是国家发展的必然选择!
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温室效应与环境污染日益严重
•近100年中国年平均气温升高3.0～6.0℃, •我国的煤炭、石油等能源消耗居世界第一。 •单位GDP能耗是发达国家的8~10倍，每年新增碳排放量世界第一。 •我国大城市大气的主要污染源：50%以上来自汽车排气污染。
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磷酸铁锂材料的电化学特性
LiFePO4正极材料的理论电化 学比容量为170mAh/g，相对 金属锂的电极电位约为3.45V， 理论能量密度为550Wh/Kg。 LiFePO4和FePO4晶体在结构 上的相似性 保证了LiFePO4 具有良好的循环性能
➢锂离子动力电池正极材料现状
电动汽车用锂离子动力电池已成为市场和研发的热点。目前研究的主要正极 材料包括锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP） 、镍钴锰（NCM）
指标
体系
LCO（钴酸锂） LMO(锰酸锂） NCM（三元系） NCA（二元系） LFP（磷酸铁锂）
比能容(mAh/g)
135~140
100~120
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磷酸铁锂材料进展标志
❖ A.Padhi, K.Monjundaswamy, J. Goodenough， J. Eelectrochem. Soc. 1997，144，1188 ------首次报道 LiFePO4， 2002成立 Phostech Lithium Co.
高性能、低成本的电池材料的研究开发将对动力电池展起决定性作用
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环境 污染
能源 危机
资源 匮乏
大型化锂离子电池的应用
正极材料是锂离子电池技术的 核心和关键。
研究和开发资源丰富、 环境友好、高安全长寿命的
电极材料
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雪弗莱
比亚迪
Enerdel
电动汽车的发展
高功率密度
高能量密度
高工作电压
锂离子 电池 无记忆效应
动力型锂离子电池已广泛应用于电动工具、动力玩具 领域，并在EV(电动汽车)/HEV(混合动力电动汽车)、 电动皮划艇、电动自行车等领域有广阔的应用前景。
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锂离子动力电池的发展
高性能绿色 二次电池体系
动力电池
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节能与环保推动 纯电动汽车（EV）、混合电动车（HEV）及动力电池的发展
锂离子电池在动力电池中占优势，其发展成为 左右电动汽车发展的关键因素
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锂离子动力电池的发展
东芝
130~140
160~180
130~150
倍率特性
中
低温性能
优
高温性能
优
循环特性（次）
500
安全性
差
成本
高
优
中
中
优
优
优
优
差
差
优
优
优
300
500
500
20000
好
较好
差
优
低
较高
高
低
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磷酸铁锂进展
磷酸铁锂材料：
➢结构稳定、安全性能好； ➢资源丰富、成本低廉； ➢循环性能好； ➢耐过充性能好，有利于电池组合使用
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磷酸铁锂材料改性
❖ 纯为相约L为iF10eP-1O0S4/的cm电，子而电且导锂率 离子按照一维扩散方式进 行，扩散系数为10-14cm2/s。
体相掺杂
细化尺寸
改性研究
❖ 需子要导同电时性提和高电子LiF导eP电O性4的才离
能保证材料具有好的电化 学性能。
❖ 最近麻省理工学院报道了超快充放电的LiFePO4材料，通过受 控的非化学计量配比的方法形成包裹在纳米锂铁晶体外的只有 5nm“非结晶体焦磷酸盐”薄膜，该快速的离子导电表面相提高 了锂离子表面扩散率并促使其迅速移动到晶体的锂离子进出通 道 。可将电池的充电速度提升36 倍（仅为10 秒），同时具有 高放电倍率。
❖ 但也有研究认为离子掺杂的效果和可能性值得商 榷。首先，缺乏能够证明高价离子真正占据了铁 位或锂位的检测手段。其次，LiFePO4合成过程 中产生的新导电相。再次，LiFePO4中存留碳可 改善材料的导电性能，掩盖掺杂的作用。
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改性途径——表面包覆非晶离子导体
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全球环境污染与能源危机迫切 需求可持续发展的新型绿色清 洁能源
低碳经济是全球经济的发展趋 势，中国亦是低碳经济的积极 倡导者，电动汽车产业作为低 碳经济的重要支柱， 其潜力不 可估量
形势严峻： 化石能源的枯竭和污染
解决途径： 其它能源的利用与储存
可充放化学电源
❖ Chung S Y, Bloking J T, Chiang Y M. Nature Materials，2002,2:123128 ------离子掺杂，2003成立 A123 Co.L. Swoyer. Electrochemical and Solid-State Letters, 2003,6 ~3:A53-A55---碳热还原法，Valence
表面包覆
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改性途径-----碳包覆
a. 包覆炭黑 b. 包覆有机物热解炭
a
b
1）阻止内部颗粒接触，防止不正常晶粒长大；2）防止二价 铁离子氧化；3）提高电子导电性。
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改性途径-----离子掺杂
❖ 磷酸铁锂一种电子-离子混合导体，通过掺杂其它 元素形成固溶体，影响材料的结构增加缺陷浓度， 提高LiFePO4的离子导电性和电子导电性。
❖ Ravet, Y. Chouinard, J. F. Magnan, S. Besner, M. Gauthier, and M. Armand, Abstract 166, International Meeting on Lithium Batteries, Como, Italy, May 28-June, 2000----碳包覆