LFP物理化學(xué)性質(zhì)

磷酸鋰鐵化學(xué)分子式的表示法為：LiMPO4，其中鋰為正一價(jià)；中心金屬鐵為正二價(jià)；磷酸根為負(fù)三價(jià)，中心金屬鐵與周?chē)牧鶄€(gè)氧形成以鐵為中心共角的八面體FeO6，而磷酸根中的磷與四個(gè)氧原子形成以磷為中心共邊的四面體 PO4，藉由鐵的FeO6八面體和磷的PO4四面體所構(gòu)成的空間骨架，共同交替形成Z字型的鏈狀結(jié)構(gòu)，而鋰離子則占據(jù)共邊的空間骨架中所構(gòu)成的八面體位置，晶格中FeO6通過(guò) bc 面的共享角連結(jié)起來(lái)，LiO6則形成沿著b軸方向的共邊長(zhǎng)鏈，一個(gè)FeO6八面體與兩個(gè)LiO6八面體和一個(gè)PO4四面體共邊，而PO4四面體則與一個(gè)FeO6八面體和兩個(gè)LiO6八面體共邊。在結(jié)晶學(xué)的對(duì)稱(chēng)分類(lèi)上屬于斜方晶系Orthorhombic中的Pmnb空間群，單位晶格常數(shù)為 a=6.008?，b=10.334?，c=4.693?，單位晶格的體積為291.4m3。由于結(jié)構(gòu)中的磷酸基對(duì)整個(gè)材料的框架具有穩(wěn)定的作用，使得材料本身具有良好的熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能。

LiMPO4中的鋰離子不同于傳統(tǒng)的正極材料LiMn2O4和LiCoO2，其具有一維方向的可移動(dòng)性，在充放電過(guò)程中可以可逆的脫出和遷入并伴隨著中心金屬鐵的氧化與還原。而LiMPO4 的理論電容量為 170mAh/g，并且擁有平穩(wěn)的電壓平臺(tái) 3.45V。 其鋰離子遷入脫出的反應(yīng)如下所式： LiFe(II)PO4 <-> Fe(III)PO4 Li e- (1)

鋰離子脫出后，生成相似結(jié)構(gòu)的 FePO4，但空間群也為Pmnb，單位晶格常數(shù)為 a=5.792?，b=9.821?，c=4.788?，單位晶格的體積為272.4m3，鋰離子脫出后，晶格的體積減少，這一點(diǎn)與鋰的氧化物相似。 而LiMPO4中的FeO6八面體共頂點(diǎn)，因?yàn)楸籔O43-四面體的氧原子分隔，無(wú)法形成連續(xù)的FeO6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低了電子傳導(dǎo)性。另一方面，晶體中的氧原子接近于六方最密堆積的方式排列，因此對(duì)鋰離子僅提供有限的通道，使得室溫下鋰離子在結(jié)構(gòu)中的遷移速率很小。在充電的過(guò)程中，鋰離子和相應(yīng)的電子由結(jié)構(gòu)中脫出，而在結(jié)構(gòu)中形成新的FePO4相，并形成相界面。在放電過(guò)程中，鋰離子和相應(yīng)的電子遷入結(jié)構(gòu)中，并在FePO4相外面形成新的LiMPO4相。因此對(duì)于球形的正極材料的顆粒，不論是遷入還是脫出，鋰離子都要經(jīng)歷一個(gè)由外到內(nèi)或者是由內(nèi)到外的結(jié)構(gòu)相的轉(zhuǎn)換程。 材料在充放電過(guò)程中存在一個(gè)決定步驟，也就是產(chǎn)生 LixFePO4 / Li1-xFePO4 兩相接口。 隨著鋰的不斷遷入脫出，接口面積減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界表面積后，生成的FePO4電子和離子導(dǎo)電率均低，成為兩相結(jié)構(gòu)。因此，位于粒子中心的LiMPO4得不到充分利用，特別是在大電流的條件下。

若不考慮電子導(dǎo)電性的限制，鋰離子在橄欖石結(jié)構(gòu)中的遷移是通過(guò)一維通道進(jìn)行的，并且鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)高，并且LiMPO4經(jīng)過(guò)多次充放電，橄欖石結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定，鐵原子依然處于八面體位置，可以做為循環(huán)性能優(yōu)良的正極材料。在充電過(guò)程中，鐵原子位于八面體位置，均處于高自旋(high spin)狀態(tài)。

自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A為堿金屬，M為CoFe兩者之組合:LiFeCOPO4)的橄欖石結(jié)構(gòu)的鋰電池正極材料之后, 1997年美國(guó)得克薩斯州立大學(xué)John. B. Goodenough等研究群，也接著報(bào)導(dǎo)了LiFePO4的可逆性地遷入脫出鋰的特性，美國(guó)與日本不約而同地發(fā)表橄欖石結(jié)構(gòu)(LiMPO4), 使得該材料受到了極大的重視，并引起廣泛的研究和迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的鋰離子二次電池正極材料，尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4和層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料來(lái)源更廣泛、價(jià)格更低廉且無(wú)環(huán)境污染。

磷酸鋰鐵（分子式LiFePO4，Lithium Iron Phosphate ，又稱(chēng)磷酸鐵鋰、鋰鐵磷，簡(jiǎn)稱(chēng)LFP），是一種鋰離子電池的正極材料，也稱(chēng)為鋰鐵磷電池，特色是不含鈷等貴重元素，原料價(jià)格低且磷、鋰、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會(huì)有供料問(wèn)題。其工作電壓適中（3.2V）、電容量大（170mAh/g）、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。這個(gè)看似不起眼卻引發(fā)鋰電池革命的新材料，為橄欖石結(jié)構(gòu)分類(lèi)中的一種，礦物學(xué)中的學(xué)名稱(chēng)為（ triphyllite ），是從希臘字的Tri以及 fylon兩個(gè)字根而來(lái)，在礦石中的顏色可為灰色，紅麻灰色，棕色或黑色，相關(guān)的礦物數(shù)據(jù)可參考相關(guān)網(wǎng)站。

LFP電池和一般鋰電池同為綠色環(huán)保電池，但兩者最大不同點(diǎn)是LFP電池完全沒(méi)有過(guò)熱或爆炸等安全性顧慮，再加上電池循環(huán)壽命約是鋰電池的4~5倍，高于鋰電池8~10倍高放電功率（可瞬間產(chǎn)生大電流），加上同樣能量密度下整體重量，約較鋰電池減少30~50%。因此受到軍事、汽車(chē)、電池等等與電能相關(guān)領(lǐng)域的重視，鋰電池廠(chǎng)紛紛投入這種新型動(dòng)力鋰電池的生產(chǎn)，目標(biāo)市場(chǎng)就是電動(dòng)自行車(chē)與電動(dòng)公交車(chē)。2100433B

備案信息

備案號(hào)：584-19972100433B