磷酸鐵鋰正極材料的對(duì)比性能研究

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1、磷酸鐵鋰正極材料的對(duì)比性能研究馬國(guó)正陳紅雨/華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院李汝文陳戰(zhàn)軍/深圳市科拓新能源材料有限公司陳雨紅/廣東高校動(dòng)力與儲(chǔ)能電池產(chǎn)學(xué)研基地摘要：本文將深圳科拓生產(chǎn)的LTD-N型和LTD-W型磷酸鐵鋰正極材料與國(guó)內(nèi)外磷酸鐵鋰正極材料進(jìn)行了對(duì)比研究與測(cè)試。指出了磷酸鐵鋰正極材料的推廣應(yīng)用問(wèn)題主要在于解決磷酸鐵鋰生產(chǎn)批量的穩(wěn)定性和一致性。關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰鋰離子電池正極材料鋰離子電池作為一種綠色新型能源技術(shù)，有非常重要和廣泛的應(yīng)用前景。而對(duì)于電極材料的研究，在開(kāi)發(fā)具有良好性能和特殊用途的鋰離子電池中有極其重要的作用。近年來(lái)研究的磷酸鐵鋰正極材料，其安全性能和循環(huán)壽命是其它正極材料所

2、無(wú)法相比的，也是作為發(fā)大容量鋰離子電池和動(dòng)力電池最有希望的正極材料。預(yù)計(jì)，2020年全球鋰離子電池市場(chǎng)將超過(guò)8萬(wàn)億日元(相當(dāng)于720億美元)，主要為電動(dòng)車和便攜式應(yīng)用，不包括儲(chǔ)能用電池。而2010年全球二次電池市場(chǎng)才超過(guò)1萬(wàn)億日元，約90億美元。2010年全球鋰離子電池正材料的產(chǎn)量為5349。噸，其中UMICORE、日亞和中國(guó)的產(chǎn)量占前三，而正極材料的種類主要有鉆酸鋰、三元材料、鎳酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等。根據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2010年我國(guó)正極材料的總產(chǎn)量27500噸，其中鉆酸鋰:16600噸，三元材料:5000噸，錳酸鋰:3700噸，磷酸鐵鋰:1400噸，其他:800

3、噸。對(duì)于具有非常重要應(yīng)用前景的磷酸鐵鋰材料，國(guó)內(nèi)外已有眾多廠家生產(chǎn)，但產(chǎn)品質(zhì)量良芳不齊，最關(guān)鍵的是產(chǎn)品的一致性很差，得不到很好的應(yīng)用。由于磷酸鐵鋰材料的質(zhì)量不穩(wěn)定性導(dǎo)致電池廠家不敢廣泛使用磷酸鐵鋰材料。本文針對(duì)深圳市科拓新能源材料有限公司生產(chǎn)的容量型(LTD-N)磷酸鐵鋰和功率型(LTD-W)磷酸鐵鋰正極材料進(jìn)行了研究和對(duì)比測(cè)試。直接從深圳科拓公司的生產(chǎn)線上抽取樣品進(jìn)行試驗(yàn)。生產(chǎn)磷酸鐵鋰材料，首先通過(guò)對(duì)原料外觀、純度、水含量和粒度檢測(cè)，然后對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的純水電阻率，微晶化粒度，球型化，燒結(jié)氧濃度等進(jìn)行控制，再通過(guò)粉碎、機(jī)械改性和表面處理。最后得到產(chǎn)品容量>138mAh/g，粒徑為2一3μm

4、，振實(shí)密度為1.0g/m3，比表面積<<15m2/g，碳含量為2-3%。其整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程前后經(jīng)過(guò)29道檢測(cè)，可以確保生產(chǎn)出性能優(yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定且一致性好的產(chǎn)品。其生產(chǎn)工藝流程如下圖所示。通過(guò)在深圳科拓生產(chǎn)線上直接抽取磷酸鐵鋰樣本，進(jìn)行多個(gè)不同生產(chǎn)批次的平行試驗(yàn)，結(jié)果表明，磷酸鐵鋰電池正極產(chǎn)品性能優(yōu)異，質(zhì)量穩(wěn)定，具體的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖。從圖2和圖3可以看出，LTD-N型磷酸鐵鋰正極材料具有高容量(1C達(dá)145mAh/g)、高電壓平臺(tái)(3.38V)，快速充電(6分鐘充滿95%容量)和良好的循環(huán)性能(1000周循環(huán)容量保持率93%以上)。在磷酸鐵鋰材料的瓶頸低溫性能方面，也表現(xiàn)了較優(yōu)越的性能，零下2

5、0度容量保持率大于70%，遠(yuǎn)超國(guó)家60%的標(biāo)準(zhǔn)?？沙晒Φ挠糜陔妱?dòng)車、儲(chǔ)能、小型電動(dòng)工具等要求中等功率輸出的領(lǐng)域。從圖4和圖5可以看出，LTD-W型磷酸鐵鋰正極材料具有較高容量(1C放電接近140mAh/g)、高電壓平臺(tái)(3.38V)、較明顯的高倍率放電容量保持性能(10C充放500周容量保持率97%，20C充放50。周容量保持率88%)，此外，充電速度快(6分鐘可充滿96%容量)，振實(shí)密度為1.6g/cm3。LTD-W型磷酸鐵鋰不僅具有快速充電、高電壓平臺(tái)、高振實(shí)密度、大倍率循環(huán)等優(yōu)越性能，還具備良好的加工性能(極片光滑、柔軟、不掉粉)，適用于大型電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車、軍事等要求瞬間大功率

6、放電的領(lǐng)域。我們將上述深圳科拓(LTD-N)型磷酸鐵鋰產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)外眾多廠家的磷酸鐵鋰產(chǎn)品進(jìn)行了性能對(duì)比研究，結(jié)果如表1和表2。性能指標(biāo)生產(chǎn)廠家1C容量1C效率1C電壓10C/1C1000周循環(huán)mAh/g%V%%北方A廠136.192.23.3593.484.5北方B廠136.491.73.2792.587.9北方C廠128.486.33.3291.987.3南方A廠127.084.63.2591.788.4南方B廠140.290.23.3790.489.1深圳科拓141.491.93.3895.393.7表1深圳科拓與國(guó)內(nèi)廠家的磷酸鐵鋰產(chǎn)品性能比較性能指標(biāo)生產(chǎn)廠家1C容量1C效率1C電壓

7、10C/1C1000周循環(huán)mAh/g%V%%臺(tái)灣A廠140.790.53.3893.588.1臺(tái)灣B廠116.490.43.3492.491.2臺(tái)灣C廠138.088.33.3590.788.4北美A廠146.293.63.3796.891.8北美B廠144.994.43.3896.292.3深圳科拓141.491.93.3895.593.7表2深圳科拓與海外同行的磷酸鐵鋰產(chǎn)品性能比較從表1和表2可以看出，深圳科拓的磷酸鐵鋰產(chǎn)品與國(guó)