橄榄石型磷酸铁锂正极材料的合成及改性研究进展

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0281

摘要/Abstract

摘要：

橄榄石结构的磷酸铁锂（LiFePO₄）作为一种性能优良的正极材料，具有成本低、容量大、环境友好等优点。但由于磷酸铁锂电池的电子电导率、离子扩散速率低等缺陷，制约了磷酸铁锂在动力电池行业的进一步发展。因此，需要有效的策略来改善磷酸铁锂的电池性能。基于此，系统阐述了高温固相法、水热/溶剂热及溶胶-凝胶法合成磷酸铁锂的具体过程及各个方法的优缺点，表明不同方法对LiFePO₄的形貌及粒度影响不同。然后，分析了表面包覆、离子掺杂等改性方法对磷酸铁锂电化学性能的影响，结果表明，两种改性方法均有效改善了离子间电导率及锂离子扩散速率，显著提升其电化学性能。最后，对磷酸铁锂未来的研究方向进行展望，未来仍需深入研究LiFePO₄的包覆掺杂技术，推动LiFePO₄在锂离子电池行业的持续发展，提高其在高性能锂电池等领域的应用价值。

关键词: 磷酸铁锂, 合成方法, 表面包覆, 离子掺杂

Abstract:

Lithium iron phosphate with olivine structure（LiFePO₄），as a high⁃performance cathode material，has the advantages of low cost，large capacity，and environmental friendliness.However，due to the low electronic conductivity and ion diffusion rate of lithium iron phosphate batteries，their further development in the power battery industry is restricted.Therefore，effective strategies are needed to improve the battery performance of lithium iron phosphate.The specific process of synthesizing LiFePO₄ by high⁃temperature solid phase method，hydrothermal method，solvothermal method and sol-gel method，as well as the advantages and disadvantages of each method were systematically described.It showed that different methods had different effects on the morphology and particle size of LiFePO₄.Afterwards，the influence of surface coating，ion doping and other modification methods on the electrochemical performance of lithium iron phosphate was analyzed.The analysis showed that both modification methods effectively improved the ion conductivity and lithium ion diffusion rate，significantly enhancing its electrochemical performance.Finally，the future research directions of lithium iron phosphate were prospected.In the future，it was still necessary to conduct in⁃depth research on the coating and doping technology of LiFePO₄，promote its sustainable development in the lithium⁃ion battery industry，and improve its application value in high⁃performance lithium batteries and other fields.

Key words: lithium iron phosphate, synthetic method, surface coating, ion doping

中图分类号:

TQ131.11

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图/表 7

图1

图2

图3

表1

图4

表2

表3

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制备方法	优点	缺点
高温固相法	原料选择广泛，成本较低；产物纯度高；工艺简单且易于控制，适合大规模生产	反应温度较高，能耗大，需要惰性气氛保护；产物粒径大，尺寸分布不均
水热法	反应条件温和，物相单一且结晶度高；产物粒径小，化学性质稳定	反应时间较长；反应条件不易控制；设备要求较高，不易于大规模生产
溶剂热法	溶剂选择灵活；物相单一且均匀性好；可使原料达到分子或原子级别的混合；产物粒径及形貌可控	成本较高；反应时间较长；溶剂回收困难，对环境不友好
溶胶-凝胶法	原料来源广泛；可实现纳米级别的均匀混合；产物粒度小，纯度高	耗时长；反应条件难以控制；不易工业化

掺杂元素	掺杂位点	电化学性能（放电比容量；容量保持率）
Na^［51］	Li_1-_x Na _x FePO₄/C	139.2 mA·h/g；98.9%
Al^［52］	Li_1-_x Al _x FePO₄	95.0 mA·h/g（0.2C）
Nb^［53］	Li_1-_x Nb _x FePO₄/C	164.9 mA·h/g；97.3%
Na&K^［54］	Li_1-_x_-_y Na _x K _y FePO₄/C	159.0 mA·h/g（0.1C）
V^［55］	LiFe_1-_x V _x PO₄/C	162.9 mA·h/g；96.0%
Mn^［56］	LiFe_1-_x Mn _x PO₄/C	156.0 mA·h/g；105.0%
Cu^［57］	LiFe_1-_x Cu _x PO₄/C	148.0 mA·h/g；99.9%
Mg&Ti^［58］	LiFe_1-_x_-_y Mg _x Ti _y PO₄	161.5 mA·h/g；99.6%
Zr&Co^［59］	Li_0.99Zr_{0.002 5}Fe_1-_x Co _x PO₄	139.9 mA·h/g；85.0%
Na&V^［60］	Li_1-_x Na _x Fe_1-_y V _y PO₄/C	156.5 mA·h/g；98.2%

掺杂元素	掺杂位点	电化学性能（放电比容量；容量保持率）
N&B&F^［61］	LiFePO_1-_x F _x	161.5 mA·h/g； 100.0%
Cl^［62］	LiFePO_1-_x Cl _x /C	162.0 mA·h/g （0.1C）
F^［63］	LiFePO_1-_x F _x	174.3 mA·h/g； 86.6%
F^［64］	LiFePO_1-_x F _x /3DG/C	158.7 mA·h/g； 98.9%
P^［65］	LiFePO₄/C-P	168.8 mA·h/g； 98.8%

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