磷酸铁锂作为锂离子电池的正极材料

深圳市的公交车已基本实现电动化，所使用的锂离子电池正极材料是磷酸铁锂电池。

古德纳夫（Goodenough）于1997年发现磷酸铁锂可以作为锂离子电池的正极材料。磷酸铁锂的化学式为LiFePO4，具备橄榄石类型的晶体结构，磷氧四面体（PO43-）组成了锂离子一维的运输通道。

充电时，锂离子（Li+）从磷酸铁锂（LiFePO4）中脱离，磷酸铁锂转变为磷酸铁（FePO4），反应式如下：

LiFePO4→Li++e-+FePO4

放电时，磷酸铁锂嵌入磷酸铁中，转变为磷酸铁锂，反应式如下：

Li++e-+FePO4→LiFePO4

在脱嵌锂前后，材料结构保持不变，这是磷酸铁锂材料的优点之一。

图片来源：根据学堂在线《锂离子电池材料与技术》资料制作

磷酸铁锂晶体结构主要由P-O（磷氧共价键）形成的磷氧四面体所构成，相比于钴酸锂的层状结构，具有更高的结构稳定性和热稳定性，这是磷酸铁锂电池第二个优点。（含个人理解）

磷酸铁锂的缺点：电导率低，为10-9S/cm；离子扩散速率较低，为10-15~10-10cm2/s。因此磷酸铁锂作为锂离子正极材料表现出较差的倍率性能（根据网络资料理解：不同电池在同一倍率下充放电的电能与其理论的电容量的比值不同，描述电池在某一倍率下上述比值大小指标被称为倍率性能，倍率性能越好，充放电越彻底），早期产业推广不顺利。

直到加拿大魁北克水电公司提出使用碳材料在磷酸铁锂表面进行包覆才解决磷酸铁锂材料电导率低的问题，拉开了磷酸铁锂产业化的序幕。

磷酸铁锂的其他缺点：磷酸铁锂的理论克容量相对较低，为170mAh/g；电压平台也相对较低，为3.2V；极片压实密度不高，相比于其他正极材料，其能量密度不具有优势。

综上，结合磷酸铁锂的优缺点，磷酸铁锂正极材料适合应用于对能量密度要求相对不高，但对安全性要求严苛的大型电池应用领域，如电动公交车、储能电站等。

同时，磷、铁在中国储量十分丰富，决定了磷酸铁锂的价格相对低廉。目前，中国已成为全球最大的磷酸铁锂生产国。伴随着锂离子电池产业不断发展，对成本敏感的应用领域越来越青睐于磷酸铁锂正极材料。

磷酸铁锂材料的制备：

目前大规模量产的制备方法是高温固相法，高温固相法的原料主要包括碳酸锂（Li2CO3）、磷酸铁（FePO4）、碳（C）源等。

各种原料按照一定质量比充分混合后，加入去离子水溶解分散，分散均匀形成的混合液经过喷雾干燥后形成微米级混合均匀的原料颗粒，在惰性气氛下（保证原料不与环境气体反应）高温烧结，发生如下化学反应：

2Li2CO3+4FePO4→4LiFePO4+2CO2+O2

生成磷酸铁锂，此时磷酸铁锂处于团聚状态。再经过纳米化处理，制成纳米级别碳包覆磷酸铁锂正极材料。

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

审核编辑：刘清