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粉体百科丨带你重新认识磷酸铁锂


来源:中国粉体网   墨玉

[导读]  橄榄石结构过渡金属磷酸盐磷酸铁锂(LiFePO4)是常用的锂离子正极材料之一,理论比容量为170mA/g,电压平台为3.7V,在全充电状态下具有良好的热稳定性、较小的吸湿性和优良的充放电循环性能,因此成为现今动力、储能锂离子电池领域研究和生产开发的重点。

中国粉体网讯  橄榄石结构过渡金属磷酸盐磷酸铁锂(LiFePO4)是常用的锂离子正极材料之一,理论比容量为170mA/g,电压平台为3.7V,在全充电状态下具有良好的热稳定性、较小的吸湿性和优良的充放电循环性能,因此成为现今动力、储能锂离子电池领域研究和生产开发的重点。但由于其本身结构的限制,导致以LiFePO4为正极材料的锂离子电池导电率差、锂离子扩散速率慢,在低温条件下放电性能较差,近年来渐渐比不上三元正极材料了。


四大正极材料性能对比




结构决定性质


橄榄石结构LiFePO4,是聚阴离子框架结构,其结构基元是LiO6八面体、FeO6八面体和PO4四面体,磷酸根中强的P-O共价键在完全充电状态下稳定了氧原子,避免其被氧化生产氧气而释放,该结构的存在使得LiFePO4成为一种安全的正极材料。而且由于其稳定的聚阴离子框架结构,LiFePO4的循环性能非常好。LiFePO4的不足之处在于电子电导率和离子电导率较低,分别为10−9S·cm−1和10−10-10−15cm2·s−1,作为正极材料应用于锂离子电池表现出较差的倍率性能。除此之外LiFePO4的能量密度也不高。




LiFePO4的晶体结构示意图


优化结构,改变性能


既然结构决定了磷酸铁锂的性质,那么想改变磷酸铁锂的性能就需要对其结构进行优化。可采用的方法有:


1复合包覆、掺杂及表面修饰技术


通过对磷酸铁锂进行掺杂与包覆工艺相结合,实现了材料本征改性与表面修饰改性的复合,有效改善了材料表面特性和导电性能,从而可以提高材料的电化学性能。


2磷酸铁锂正极材料纳米化合成和表面修饰技术


纳米化是提高磷酸铁锂电化学性能的有效方法。采用液相以及固液相复合方法,通过添加剂的优化选择以及工艺的优化,可以实现对纳米磷酸铁锂材料的可控合成,并进一步结合包覆及复合掺杂等技术,实现对纳米磷酸铁锂材料的共掺杂以及表面复合改性,合成出性能优异的纳米磷酸铁锂材料。


这些方法当然是有效的,但却远远不够。


“刀片电池”,提升性能


近日比亚迪推出的“刀片电池”彻底颠覆了磷酸铁锂的江湖地位。


因为磷酸铁锂的安全性很高,所以比亚迪虽然也涉足三元正极材料,却没有放弃过磷酸铁锂。刀片电池凝结了比亚迪在动力电池领域近二十年研发和应用经验,集成比亚迪从电池原材料制取到动力电池包制造全产业链优势,兼具高安全、长寿命和长续航三重优势,让磷酸铁锂电池重新焕发活力。


这种电池究竟厉害在什么地方呢?


传统磷酸铁锂电池包含三层结构:电芯、模组和电池包,由于电芯和模组的支撑固定结构件要占据很大一部分空间,因此电池包的综合空间利用率仅有40%。比亚迪工程师对刀片电池的电池包结构进行重塑,由电芯直接成包(CTP),省去模组和结构件,使刀片电池的电池包空间利用率提高到了60%。


这种封装方式的好处是:①提高了动力电池包的空间利用率以及能量密度,体积能量密度比传统磷酸铁电池提升50%,重量比能量密度可达到180Wh/kg;②相较方形铝壳电芯方案,刀片电池保证了电芯具有足够大的散热面积,可将内部的热量快速传导至外部,降低内部温度;③由于电池更长,更远的极耳距离减小了内部短路的风险和热量的产生,更薄的厚度也进一步降低了穿刺过程中的热量累积,提升了电池包的强度和安全。


磷酸铁锂的最大短板被比亚迪用“刀片”的概念解决,而且依然保留它的强项——安全性好。一旦这款电池推向市场,三元正极材料的优势将被大大削弱,这让我们不得不重新认识磷酸铁锂。


参考来源:

张克宇.锂离子电池磷酸铁锂正极材料的研究进展

胡江涛.锂电池磷酸铁锂正极材料的结构与性能相关性的研究进展

成富圈.高性能磷酸铁锂正极材料合成及规模化生产关键技术研究

电脑之家.比亚迪“刀片电池”利刃出鞘 引领新能源汽车技术变革


(中国粉体网编辑整理/墨玉)

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