高能量密度大颗粒磷酸铁锂：提升锂离子电池性能的关键技术

高能量密度大颗粒磷酸铁锂：提升锂离子电池性能的关键技术

近年来，随着新能源汽车和储能技术的快速发展，对锂离子电池性能的要求越来越高。其中，提高电池的能量密度是实现更长续航里程和更高储能效率的关键。本文将详细介绍一种通过机械融合法制备LFP/C复合片状颗粒的技术，该技术能够显著提升锂离子电池的体积能量密度，为新能源汽车和储能领域的发展提供新的技术支撑。

为了提高锂离子电池LiFePO4（LFP）正极材料的能量密度，研究者采用改进的机械融合方法制备微米级的LFP/C复合片状颗粒。

由此产生的片状颗粒形态提高了填充效率，在高负载下实现了 14% 的电极孔隙率，这意味着与传统 LFP 相比，体积能量密度增加了 28%。

此外，与传统的 LFP 电极相比，LFP/C 片状复合材料电极具有更高的库仑效率、更低的电压极化以及大大降低的电荷转移电阻。这被认为是由于LFP/C片状复合颗粒的低表面积与快速的Li+离子晶界扩散有关。

制造高密度磷酸铁锂和低表面积电极的能力可能会产生深远的影响，使得锂离子电池能够以低成本和低环境影响的磷酸铁锂制造，同时实现高体积能量密度和高库伦效率。

图 1. (a) LFP、(b) F-LFP0、(c) F-LFP2 和 (d) F-LFP5 的 SEM 图像[1]

图 1a-d 显示了石墨含量分别为 0%、2% 和 5% 的 LFP 和 F-LFP 的 SEM 图像。原始 LFP 颗粒的尺寸主要为 0.1−1 μm，聚集体为 5−7 μm。

相比之下，与LFP相比，所有F-LFP组合物都具有增加的粒径，同时具有特征性片状形态，单个颗粒的宽度为约10-15μm，厚度为约2μm。所得颗粒具有片状形态。

该工艺用于从 LFP-石墨粉末混合物中制造 LFP/C 复合颗粒。如果复合材料中不含碳，则会导致电化学性能较差。如果包含 2% 的石墨碳，则片状颗粒具有独特的微观结构，由 160 nm LFP 晶粒组成，这些晶粒平行于片状基面排列成层，碳分散在 LFP 层之间。

在该结构中，LFP颗粒呈板状，并且相对于片状颗粒的基面具有[101]择优取向方向。 LFP/C复合片状颗粒的表面积也为5.23平方米/克，不到典型传统LFP样品表面积（11.69平方米/克）的一半。

在锂电池中，发现与传统 LFP 相比，LFP/C 复合材料的电荷转移电阻显着降低，这表明 Li+ 晶界扩散速度较快。由于表面积减少，LFP/C 复合材料还获得了更高的 CE。

在压延电极中，与传统 LFP 电极相比，LFP/C 片状复合材料的能量密度提高了 28%，同时在循环寿命、CE 和极化方面也有所改善。

这些改进被认为是由于表面积减少，导致电解质分解反应减少，石墨的添加相应地提高了电导率，由于薄片内的快速晶界扩散而改善了锂扩散，以及提高了填充效率，从而导致更高的能量密度。所实现的高能量密度（与传统磷酸铁锂相比提高了 28%）可能会对锂离子电池产生深远的影响，因为它可以使采用低成本和低环境影响的磷酸铁锂制成的锂离子电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命。

[1]High Energy Density Large Particle LiFePO4 Moarij A. Syed, M. Salehabadi, and M. N. Obrovac Chemistry of Materials 2024 36 (2), 803-814 DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02301