動力型鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰包覆技術發展分析

雷杰 華亮

摘 要：本文以專利數據庫CNABS、CNTXT為數據來源，對滿足動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為數據，研究了包覆材料的種類的分析，研究表明碳物質的包覆仍處于絕對優勢狀態，其他的包覆類物質的專利申請也呈現逐漸增長的趨勢。

關鍵詞：磷酸鐵鋰；包覆；專利

中圖分類號：TQ131.11 文獻標識碼：A

全球的新能源汽車動力電池技術始于1970年，1990年政策的引導和政府的大力支持帶動了整個新能源汽車的發展，作為新能源汽車的核心部分動力電池也在新能源汽車的大力發展之開始了大量的研究。橄欖石型磷酸鐵鋰因理論容量為170mAh/g，質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，高溫穩定性能和循環性能都比較好，價格低廉，對環境友好在大型動力電池的應用上有明顯的優勢。自1997年goodenough教授首次報道尖晶石型磷酸鐵鋰可以作為正極材料以來，磷酸鐵鋰較佳的性能優勢在動力汽車發展的狂潮中開始了大量的研究。但是磷酸鐵鋰的電子傳導率較低。為了提高材料的導電性，在磷酸鐵鋰顆粒表面包覆導電性材料成為了主要的解決方案。目前對磷酸鐵鋰的包覆材料包括碳材料、導電高分子、金屬物質（金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、金屬氮化物）、半金屬物質（半金屬、半金屬氧化物）、鋰離子導體。

本文以中文專利數據庫CNABS和CNTXT出發，進行了以下研究。從圖1可以看出，絕大多數的包覆物質為碳，其他物質的包覆量只為15.2%。這與碳物質資源的豐富、制備方法的簡單和碳的高導電率有關。碳的表面包覆是當前的研究熱點之一。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率，碳包覆材料比包覆之前的材料導電率提高6～8個數量級；（3）通過空間位阻效應，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度生長，從而起到細化晶粒的效果。常見的碳包覆材料有無機碳源（碳黑、乙炔黑、納米碳管）和有機碳源（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力電池，需要的最大的改進點就是改善其倍率性能，大倍率放電性能好則運用在動力電池中的優勢就越明顯。提高大倍率性能的方式對于磷酸鐵鋰來說有兩點：一是提高電子導電率；二是增加離子導電率。而磷酸鐵鋰的10-9S/cm，電子導電率差是比較突出的缺點，所以大多數研究者的改進點放于提高材料的電子導電率上，碳在性能改進和經濟角度上看是最佳的改進材料。其他的物質如金屬、金屬氮化物等主要的也是提高電子導電率，也是利用金屬的高的導電率和在電解液中的穩定性。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定性，使其與電解液分離開，防止鐵的溶解和價態的變化，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，進一步增強其導電性。

從圖2中可以看出各種物質的發展趨勢都是在2010年或者2011年出現高峰，之前都是處于緩慢增長的過程。這就表示動力電池磷酸鐵鋰正極材料的各種物質的包覆技術發展是同步進行的，所有物質都是研究者目標中的有前景的目標包覆物，但是隨著碳包覆的研究開始，碳包覆的發展速度比其他物質的發展速度快很多，這就顯示碳包覆物質是最具有前景的包覆物。

結語

綜上所述，國內的專利申請人絕大多數把提高磷酸鐵鋰的電子導電性放在首要位置，而碳作為提高電子導電性的主要物質就是申請的重中之重，但是開發新型的包覆類物質也在國內申請人中呈現逐步增長的趨勢，因此，在提高磷酸鐵鋰綜合電化學性能的基礎上，電子導電性，材料的穩定性和離子導電性都是不容錯過的基本方式。

參考文獻

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