LFP材料基础知识介绍
磷酸铁锂简介
·什么是磷酸铁锂
·磷酸铁锂的优点与缺点
·如何改善缺点
·如何获得磷酸铁锂
什么是磷酸铁锂?
磷酸铁锂是一种无机化合物
>属于正交晶系橄榄石型结构，空间群为Pnma
磷酸铁锂用于锂离子电池正极材料
>其理论比容量为170mAh/g,产品实际比容量可超过140mAh/g
>主要应用在动力电池方面(HEV,EV,电动工具)
磷酸铁锂晶体结构
磷酸铁锂的优点
原料来源丰富、价廉
环境友好，不含任何对人体有害的重金属元素
热稳定性好
>循环性能好(在100%DOD条件下，可以充放电2000次以上)
热稳定性好
LiFePO4和充电后的FePO4的热稳定性很好，FePO4在210~410°C的温度范围内放出的热量仅为210J/gLiCoO₂充电状态(CoO2)开始分解产生氧气的温度为240C，放出热量约为1000J/g
循环性能好
由于LiFePO4与FePO4结构相似，锂离子脱出/嵌入后，LiFePO4晶体结构几乎不发生重排。
磷酸铁锂的缺点
电子导电率低
离子扩散系数低
振实密度不高
合成成本略高
如何改善缺点
碳包覆改善电子导电性
添加金属粒子
导电有机物包覆
掺杂金属离子改善电子导电性
合成小粒度材料减少扩散距离
合成粒度可控的类球形颗粒
碳包覆技术
原料混合式加入直接加入碳:石墨、炭黑、乙炔黑等
热解后能转变为碳的物质:葡萄糖、蔗糖、白糖、聚丙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸锂、聚乙烯醇、柠檬酸、煤油、β-环糊精、乙醇和酚醛树脂等
碳包覆技术
烧结结束时加入
在磷酸铁锂烧结束后的降温阶段，对其喷洒甲醇，甲醇受热分解碳化，在磷酸铁锂表面形成碳膜
碳包覆技术
烧结结束时加入
在磷酸铁锂烧结束后的降温阶段，
对其喷洒甲醇，甲醇受热分解碳化，
在磷酸铁锂表面形成碳膜
掺杂金属离子
2002年MIT的一个研究小组采用球磨混
合原料再进行固相合成的方法成功的合
成出了六种掺杂物质Li1_xMyFePO4
(M=Mg、AI、Ti、Zr、Nb、W)。掺杂
后材料的电子电导率较LiFePO4的电子电
导率提高了8个数量级，室温下达到
10-2 S·cm-1
如何获得磷酸铁锂
自然界中的磷铁锂矿
人工合成
固相法
o高温固相反应法
o 碳热还原法
o 微波合成法
○ 液相法
o 溶胶-凝胶法
o 水热合成法
液相共沉淀法
高温固相反应法
固相反应法是目前制备磷酸铁锂最常
用、最成熟的方法，也是最容易实现
产业化的方法之一。
优点:工艺简单，易实现产业化
缺点:原料不易混合均匀
高温固相反应法典型工艺
以碳酸锂、草酸亚铁和磷酸二氢氨为
原料，按化学计量比混合研磨混合均
匀后在惰性气氛(氩气、氮气)的保护
下高温烧结制备磷酸铁锂。
碳热还原法
碳热还原法广泛应用于冶金工业
该方法的优势在于合成过程中能产生
强烈的还原气氛，可以用三价铁的化
合物作为铁源，进一步降低了成本
碳热还原法典型工艺
以磷酸二氢锂、三氧化二铁和高分子聚合
物原料按化学计量比混合研磨混合均匀后
在惰性气氛的保护下高温烧结制备磷酸铁
锂。
在合成过程中利用高分子聚合物的分解产
物，在合成过程中实现三价铁的还原和磷
酸铁锂的原位碳包覆。
碳热还原法优点
高分子聚合物的分解产物(原子态H
和C)具有高于固态碳材料的还原能力，
从而可以降低合成温度、缩短反应时
间
高分子聚合物分解的碳在反应系统中
呈原子级分散状态，从而可实现对合
成产物的均匀包覆
原位包覆的碳膜降低了磷酸铁锂颗粒
的长大速度
常用原材料
锂源:碳酸锂、氢氧化锂、磷酸二氢
锂
铁源:草酸亚铁、醋酸亚铁、磷酸铁、
氧化铁
磷酸根:磷酸氢铵、磷酸二氢铵、磷
酸铵
碳源:葡萄糖、蔗糖、碳石墨、酚醛
树脂、碳黑等
磷酸铁锂电极材料主要用于各种锂离子电池.自1996年日本的NTT首次揭露
AyMPO4(A为碱金属，M为CoFe两者之组合:LiFeCOPO4)的橄榄石结构的锂电池正
极材料之后,1997年美国德克萨斯州立大学John.B.Goodenough等研究群，也接
着报导了LiFePO4的可逆性地迁入脱出锂的特性，美国与日本不约而同地发表橄榄
石结构(LiMPO4),使得该材料受到了极大的重视，并引起广泛的研究和迅速的发展
。与传统的锂离子二次电池正极材料，尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的
LiCoO2相比，LiMPO4的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。
磷酸铁锂功能用途
磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材
料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴
酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料，而其它正极材料由于多种原因
，目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。从材料的
原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相
同。
磷酸铁锂性能特点
1.高能量密度
- 其理论比容量为170mAh/g，产品实际比容量可超过140mAh/g(0.2C,
25℃);
2.安全性
一是目前最安全的锂离子电池正极材料;不含任何对人体有害的重金属元素;
3.寿命长
-在100%DOD条件下，可以充放电2000次以上;(原因:磷酸铁锂晶格稳定
性好，锂离子的嵌入和脱出对晶格的影响不大，故而具有良好的可逆性。存在
的不足是电子离子传到率差，不适宜大电流的充放电，在应用方面受阻。解决
方法:在电极表面包覆导电材料、掺杂进行电极改性。
4.无记忆效应
5.充电性能
- 磷酸铁锂正极材料的锂电池，可以使用大倍率充电，最快可在1小时内将电
池充满。
磷酸铁锂物理参数
1.粒度分布(particle size distribution)
-将粉末试样按粒度不同分为若干级，每一级粉末(按质量、按数量或按体积)所占
的百分率。
表示粒度特性的几个关键指标:
①D50:一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。它的物理意义
是粒径大于它的颗粒占50%，小于它的颗粒也占50%，D50也叫中位径或中值粒径。
D50常用来表示粉体的平均粒度。
②D97:一个样品的累计粒度分布数达到97%时所对应的粒径。它的物理意义是粒
径小于它的的颗粒占97%。D97常用来表示粉体粗端的粒度指标。其它如D16、
D90等参数的定义与物理意义与D97相似。
2.振实密度 (tap density )
- 在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容积的质量。
p=m/v
式中:
p一粉末的振实密度,g/cm3
m一粉料的质量，g
V一粉料振实后的体积，cm3
磷酸铁锂物理参数
1.粒度分布(particle size distribution)
-将粉末试样按粒度不同分为若干级，每一级粉末(按质量、按数量或按体积)所占
的百分率。
表示粒度特性的几个关键指标:
①D50:一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。它的物理意义
是粒径大于它的颗粒占50%，小于它的颗粒也占50%，D50也叫中位径或中值粒径。
D50常用来表示粉体的平均粒度。
②D97:一个样品的累计粒度分布数达到97%时所对应的粒径。它的物理意义是粒
径小于它的的颗粒占97%。D97常用来表示粉体粗端的粒度指标。其它如D16、
D90等参数的定义与物理意义与D97相似。
2.振实密度 (tap density )
- 在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容积的质量。
p=m/v
式中:
p一粉末的振实密度,g/cm3
m一粉料的质量，g
V一粉料振实后的体积，cm3
磷酸铁锂电池
磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材
料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴
酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料，而其它正极材料由于多种原因
，目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。从材料的
原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相
磷酸铁锂电池是用来做锂离子二次电池的,现在主要方向是动力电池，相
对NI-MH,Ni-Cd电池有很大优势。
磷酸铁锂电池特点
1.超长寿命
-长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次
-磷酸铁锂电池，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电使
用，可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，
最多也就1-1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到7-8年。综
合考虑，性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。
2.使用安全
-磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的
碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测
试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。
3.可大电流快速放电
-可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，
起动电流可达2C,而铅酸电池现在无此性能。
4.耐高温
-磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度
范围宽广(-20C--+75C)，有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350C-500℃而
锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。
5.大容量
-具有比普通电池(铅酸等)更大的容量。
6.无记忆效应
- 可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现
象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无
论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电
7.体积小、重量轻
-同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3重量是铅酸电池的1/3。
锂电池比较
