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1、磷酸铁锂正极材料的对比性能研究 马国正 陈红雨/华南师范大学化学与环境学院李汝文 陈战军/深圳市科拓新能源材料有限公司陈雨红/广东高校动力与储能电池产学研基地摘要：本文将深圳科拓生产的LTD-N型和LTD-W型磷酸铁锂正极材料与国内外磷酸铁锂正极材料进行了对比研究与测试。指出了磷酸铁锂正极材料的推广应用问题主要在于解决磷酸铁锂生产批量的稳定性和一致性。关键词：磷酸铁锂 锂离子电池 正极材料 锂离子电池作为一种绿色新型能源技术，有非常重要和广泛的应用前景。而对于电极材料的研究，在开发具有良好性能和特殊用途的锂离子电池中有极其重要的作用。近年来研究的磷酸铁锂正极材料，其安全性能和循环寿命是其它正极
2、材料所无法相比的，也是作为发大容量锂离子电池和动力电池最有希望的正极材料。预计，2020年全球锂离子电池市场将超过8万亿日元(相当于720亿美元)，主要为电动车和便携式应用，不包括储能用电池。而2010年全球二次电池市场才超过1万亿日元，约90亿美元。2010年全球锂离子电池正材料的产量为5349。吨，其中UMICORE、日亚和中国的产量占前三，而正极材料的种类主要有钻酸锂、三元材料、镍酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等。根据中国化学与物理电源行业协会的统计，2010年我国正极材料的总产量27500吨，其中钻酸锂:16600吨，三元材料:5000吨，锰酸锂:3700吨，磷酸铁锂:1400吨，其他:800
3、吨。对于具有非常重要应用前景的磷酸铁锂材料，国内外已有众多厂家生产，但产品质量良芳不齐，最关键的是产品的一致性很差，得不到很好的应用。由于磷酸铁锂材料的质量不稳定性导致电池厂家不敢广泛使用磷酸铁锂材料。本文针对深圳市科拓新能源材料有限公司生产的容量型(LTD-N)磷酸铁锂和功率型(LTD-W)磷酸铁锂正极材料进行了研究和对比测试。直接从深圳科拓公司的生产线上抽取样品进行试验。生产磷酸铁锂材料，首先通过对原料外观、纯度、水含量和粒度检测，然后对生产过程的纯水电阻率，微晶化粒度，球型化，烧结氧浓度等进行控制，再通过粉碎、机械改性和表面处理。最后得到产品容量138mAh/g，粒径为2一3m，振实密度
4、为1.0 g/m3，比表面积15m2/g，碳含量为2-3%。其整个生产过程前后经过29道检测，可以确保生产出性能优异、质量稳定且一致性好的产品。其生产工艺流程如下图所示。通过在深圳科拓生产线上直接抽取磷酸铁锂样本，进行多个不同生产批次的平行试验，结果表明，磷酸铁锂电池正极产品性能优异，质量稳定，具体的测试结果见下图。从图2和图3可以看出，LTD-N型磷酸铁锂正极材料具有高容量(1C达145 mAh/g)、高电压平台(3.38V)，快速充电(6分钟充满95%容量)和良好的循环性能(1000周循环容量保持率93%以上)。在磷酸铁锂材料的瓶颈低温性能方面，也表现了较优越的性能，零下20度容量保持率大
5、于70%，远超国家60%的标准。可成功的用于电动车、储能、小型电动工具等要求中等功率输出的领域。 从图4和图5可以看出，LTD-W型磷酸铁锂正极材料具有较高容量(1C放电接近140 mAh/g )、高电压平台(3.38 V)、较明显的高倍率放电容量保持性能(10C充放500周容量保持率97% ，20C充放50。周容量保持率88%)，此外，充电速度快(6分钟可充满96%容量)，振实密度为1.6 g/cm3 。 LTD-W型磷酸铁锂不仅具有快速充电、高电压平台、高振实密度、大倍率循环等优越性能，还具备良好的加工性能(极片光滑、柔软、不掉粉)，适用于大型电动工具、电动汽车、军事等要求瞬间大功率放电的
6、领域。我们将上述深圳科拓(LTD-N)型磷酸铁锂产品与国内外众多厂家的磷酸铁锂产品进行了性能对比研究，结果如表1和表2。性能指标生产厂家1C容量1C效率1C电压10C/1C1000周循环mAh/g%V%北方A厂136.192.23.3593.484.5北方B厂136.491.73.2792.587.9北方C厂128.486.33.3291.987.3南方A厂127.084.63.2591.788.4南方B厂140.290.23.3790.489.1深圳科拓141.491.93.3895.393.7表1 深圳科拓与国内厂家的磷酸铁锂产品性能比较性能指标生产厂家1C容量1C效率1C电压10C/1C
7、1000周循环mAh/g%V%台湾A厂140.790.53.3893.588.1台湾B厂116.490.43.3492.491.2台湾C厂138.088.33.3590.788.4北美A厂146.293.63.3796.891.8北美B厂144.994.43.3896.292.3深圳科拓141.491.93.3895.593.7表2 深圳科拓与海外同行的磷酸铁锂产品性能比较从表1和表2可以看出，深圳科拓的磷酸铁锂产品与国内同类产品相比，在容量、电压、效率等方面性能优异。与海外同类产品相比，性能指标明显高于台湾水平，与北美同类产品基本持平。实际应用也表明深圳科拓的磷酸铁锂产品得到市场认可。LTD
8、-N型和LTD-W型磷酸铁锂正极材已经在江西科慧电池、深圳比亚迪、精进能源和深圳雄韬电池达到批量应用，用户反应良好。广州鹏辉、山东润丰、深圳新世纪电源、海盈电池和天津比克都已完成了产品的性能测试，用品的性能达到高度认可。此外，还有一些锂电生产企业，如杭州万向、哈尔滨光宇等，正在测试阶段。磷酸铁锂正极材料具有大容量、超长循环寿命、使用安全、可大电流充放电和耐高温等优点，磷酸铁锂也有其不可避免的缺点：任娠实密度较小，大致在8一1.3 g/cm3的范围，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钻酸锂等子电池，在微型电池方面不具有优势，但在动力电池方面不突出，磷酸铁锂正极可主要用来制作动力电池。磷酸铁锂导电性
9、差，锂离子扩散速度慢。针对这个缺点，添加碳或其它到电剂可改善导电性而通过制备纳米化的磷酸铁锂晶粒和掺杂改性可改善锂离子的扩散性能。低温性能差，可针对磷酸铁锂进行掺杂改胜、通过一次或二次颗粒的粒径和形貌控制有效反应面积等方法来改善低温性能。此外，成品电池还可通过改变正极配方、电解液体系和改善电芯结构设计等方法来提高低温性能。电池一致性问题。也是目前磷酸铁锂材料所面临的最大问题。导致磷酸铁锂电池产品一致性素可归为三点：第一，磷酸铁锂原材料的品质问题，其生产设备、合成工艺不够成熟导致。第二，生产环境的控制问题，其生产环境的温度、湿度、粉尘等控制不到位。第三，制造设备中人为因素的影响，自动化程度不够高，不能做到每个工艺的精细控制。 磷酸铁锂正极材料的推广应用问题主要在于解决磷酸铁锂正极材料生产批量的稳定性和一致性。深圳市科拓新能源材料有限公司，针对磷酸铁锂的缺点，采用全自动化的生产设备，对原材料及工艺制作和流程的关键部位进行精细控制，生产出质量稳定、一致性良好的产品。
