動(dòng)力型鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰包覆技術(shù)發(fā)展分析

雷杰 華亮

摘 要：本文以專利數(shù)據(jù)庫(kù)CNABS、CNTXT為數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)滿足動(dòng)力型鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰包覆主題相符合的專利文獻(xiàn)為數(shù)據(jù)，研究了包覆材料的種類的分析，研究表明碳物質(zhì)的包覆仍處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)狀態(tài)，其他的包覆類物質(zhì)的專利申請(qǐng)也呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰；包覆；專利

中圖分類號(hào)：TQ131.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

全球的新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)始于1970年，1990年政策的引導(dǎo)和政府的大力支持帶動(dòng)了整個(gè)新能源汽車的發(fā)展，作為新能源汽車的核心部分動(dòng)力電池也在新能源汽車的大力發(fā)展之開(kāi)始了大量的研究。橄欖石型磷酸鐵鋰因理論容量為170mAh/g，質(zhì)量比容量比鈷酸鋰高，體積比容量比尖晶石錳酸鋰高，充放電前后體積變化小，高溫穩(wěn)定性能和循環(huán)性能都比較好，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境友好在大型動(dòng)力電池的應(yīng)用上有明顯的優(yōu)勢(shì)。自1997年goodenough教授首次報(bào)道尖晶石型磷酸鐵鋰可以作為正極材料以來(lái)，磷酸鐵鋰較佳的性能優(yōu)勢(shì)在動(dòng)力汽車發(fā)展的狂潮中開(kāi)始了大量的研究。但是磷酸鐵鋰的電子傳導(dǎo)率較低。為了提高材料的導(dǎo)電性，在磷酸鐵鋰顆粒表面包覆導(dǎo)電性材料成為了主要的解決方案。目前對(duì)磷酸鐵鋰的包覆材料包括碳材料、導(dǎo)電高分子、金屬物質(zhì)（金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、金屬氮化物）、半金屬物質(zhì)（半金屬、半金屬氧化物）、鋰離子導(dǎo)體。

本文以中文專利數(shù)據(jù)庫(kù)CNABS和CNTXT出發(fā)，進(jìn)行了以下研究。從圖1可以看出，絕大多數(shù)的包覆物質(zhì)為碳，其他物質(zhì)的包覆量只為15.2%。這與碳物質(zhì)資源的豐富、制備方法的簡(jiǎn)單和碳的高導(dǎo)電率有關(guān)。碳的表面包覆是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。碳包覆的主要作用有：（1）作為還原劑，在較低溫度下可以有效避免Fe2+的氧化；（2）有利于提高顆粒間的電子電導(dǎo)率，碳包覆材料比包覆之前的材料導(dǎo)電率提高6～8個(gè)數(shù)量級(jí)；（3）通過(guò)空間位阻效應(yīng)，碳的包覆在一定程度上能夠阻止顆粒間的接觸，能夠有效抑制晶粒的過(guò)度生長(zhǎng)，從而起到細(xì)化晶粒的效果。常見(jiàn)的碳包覆材料有無(wú)機(jī)碳源（碳黑、乙炔黑、納米碳管）和有機(jī)碳源（蔗糖、葡萄糖、檸檬酸、月桂酸、聚丙烯、淀粉、羥乙基纖維素、聚碳酸酯濾膜等等）兩大類。磷酸鐵鋰正極材料作為動(dòng)力電池，需要的最大的改進(jìn)點(diǎn)就是改善其倍率性能，大倍率放電性能好則運(yùn)用在動(dòng)力電池中的優(yōu)勢(shì)就越明顯。提高大倍率性能的方式對(duì)于磷酸鐵鋰來(lái)說(shuō)有兩點(diǎn)：一是提高電子導(dǎo)電率；二是增加離子導(dǎo)電率。而磷酸鐵鋰的10-9S/cm，電子導(dǎo)電率差是比較突出的缺點(diǎn)，所以大多數(shù)研究者的改進(jìn)點(diǎn)放于提高材料的電子導(dǎo)電率上，碳在性能改進(jìn)和經(jīng)濟(jì)角度上看是最佳的改進(jìn)材料。其他的物質(zhì)如金屬、金屬氮化物等主要的也是提高電子導(dǎo)電率，也是利用金屬的高的導(dǎo)電率和在電解液中的穩(wěn)定性。其他的金屬或者半金屬氧化物主要是為了提高顆粒材料的穩(wěn)定性，使其與電解液分離開(kāi)，防止鐵的溶解和價(jià)態(tài)的變化，其往往也與碳材料共同使用促使碳材料在材料顆粒的表面形成完整的碳包覆膜，進(jìn)一步增強(qiáng)其導(dǎo)電性。

從圖2中可以看出各種物質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)都是在2010年或者2011年出現(xiàn)高峰，之前都是處于緩慢增長(zhǎng)的過(guò)程。這就表示動(dòng)力電池磷酸鐵鋰正極材料的各種物質(zhì)的包覆技術(shù)發(fā)展是同步進(jìn)行的，所有物質(zhì)都是研究者目標(biāo)中的有前景的目標(biāo)包覆物，但是隨著碳包覆的研究開(kāi)始，碳包覆的發(fā)展速度比其他物質(zhì)的發(fā)展速度快很多，這就顯示碳包覆物質(zhì)是最具有前景的包覆物。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)的專利申請(qǐng)人絕大多數(shù)把提高磷酸鐵鋰的電子導(dǎo)電性放在首要位置，而碳作為提高電子導(dǎo)電性的主要物質(zhì)就是申請(qǐng)的重中之重，但是開(kāi)發(fā)新型的包覆類物質(zhì)也在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人中呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此，在提高磷酸鐵鋰綜合電化學(xué)性能的基礎(chǔ)上，電子導(dǎo)電性，材料的穩(wěn)定性和離子導(dǎo)電性都是不容錯(cuò)過(guò)的基本方式。

參考文獻(xiàn)

[1]陳立鵬.動(dòng)力鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰的電化學(xué)性能研究[D].北京化工大學(xué)，2011.