锂离子柱形电池卷绕后烘烤的意义

影响电化学动力的另一个因素就是材料的电子电导率。在充放电循环时，电子必然伴随锂离子的插入和脱出。如果材料电子不能及时的导入和导出，则锂离子的扩散必然被电子的跃迁速率所取代。富集的电子将通过极化效应反过来限制锂离子的插入和脱出而使得材料电化学性能恶化。对于参与电化学反应的FePO4和LiFePO4 2种物质来说，它们均为绝缘相，因此导电性问题也成为制约材料性能的瓶颈因素。因此，减小材料颗粒尺寸和增大材料的电导率成为人们研究的焦点。一些科研工作者通过不同的工艺来减小材料的粒径，Maria等用新的合成工艺制备出了比表面积为8.95 m2/g的活性材料，该材料的可逆容量高达 162 mAh/g[15]；Yamada等人通过优化工艺，制备了比表面积在0.5 m2/g~22 m2/g的粉体材料，这种材料最大可逆容量为165 mAh/g[16]。Huang等人通过适当的掺杂也制备出了尺度在100 nm~200 nm尺度的粉体材料，该材料的可逆容量也接近材料的理论容量。

研究者还致力于改善材料电子电导率，主要体现在包覆改性方面，Chen等通过不同形式在LiFePO4粉体上包覆裂解的活性碳，详细探讨了包覆活性碳对材料电化学性能的影响，得出包覆质量分数为0.9%的活性碳可以明显提高材料的可逆容量和比能量密度。

磷酸铁锂的热稳定性：

LixFePO4

LiFePO4

Li3Fe2(PO4)3

Fe7(PO4)6

a-FePO4

FePO4 + LiFePO4 + Li~xFePO4

FePO4 + LiFePO4

图8 磷酸铁锂在电池反应中的热稳定性原理

图8是磷酸铁锂在电池充放电过程中的变化。由图可见，在350-500℃的条件下，虽然磷酸铁锂发生了一定的变化，但一旦冷却下来，就可以自动恢复。这决定了磷酸铁锂具有极好的热稳定性和耐高温性。

用LiI作还原剂剂，化学锂化非晶FePO4（在400℃干燥）可获得非晶LiFePO4。氧化锂化合物的热重－差热分析（TG－DTA）曲线如图1所示。差热分析曲线中显示在 470℃有一个放热峰，这与化合物的结晶晶化有关。考虑到从470℃到550℃重量损失不明显，我们认为这个温度是非晶母体晶化的温度。

图2显示了该材料在氩气/氢气气氛中，在550℃分别加热1小时和5小时的X射线衍射谱。作为比较，在同一曲线上给出了晶体LiFePO4样品的衍射峰位置和相对强度(JCPDS card no. 42-0580)。值得注意的是，1小时加热就足够使材料晶化。改变热处理制度，晶体的晶粒尺寸没有多大的改变。晶粒尺寸（D）可以由Scherrer公式来计算：βcos(θ) = kλ/D，式中β是衍射峰在2θ时半峰全宽度，k在这里是接近整数的常数。 由(1 2 0), (1 1 1), (2 0 0)和(1 3 1)衍射峰（从衍射图上最佳的分辨）计算的平均晶粒尺寸D为85纳米（加热样品1小时）到90纳米（加热样品5小时）。

图1 非晶态LiFePO4的热重（虚线）和差热分析DTA（实线）曲线，实验在100毫升/分流速的氮气气氛中加热到高于环境温度800℃以上，加热速率为5℃/分

图2 晶体LiFePO4的X射线粉末衍射谱（Cu Kα辐射）。晶体LiFePO4是将非晶母体在氩气/氢气气氛中，分别在550℃加热1小时和5小时（分别对应最低的和最上面的曲线）获得的。作为比较，中间曲线是晶体LiFePO4样品的衍射峰位置和相对强度

图3显示了比表面积与退火时间的函数关系。随着退火时间的增加，比表面积减小：这与LiFePO4颗粒在热处理中的晶粒粗化有关。

图4a和4b是该材料热处理1小时和5小时后的SEM显微照片。可见，它们的组织特征都是球状结构，晶粒尺寸在100－150纳米。SEM证实了材料退火时间增长后晶粒会发生粗化（长大）。

图3 样品比表面积与退火时间的函数关系

(a) (b)

图4 晶体LiFePO4的SEM显微照片。该材料是将非晶母体在550℃，还原气氛中（Ar/H2）热处理1小时(a)和5小时(b)后的得到的

图5显示了退火5小时的材料电压外形与材料比容量的函数关系。电池在不同的恒流下放电，放电电流范围为17 mAg-1到150mAg-1。终止电压为2伏。电池总是在相同的恒电流（17 mAg-1）下再充电，以保证相同的初始条件。在最低的恒电流下放电（17 mAg-1），电池可以释放出155mAhg-1的比容量，比容量是基于活性材料的质量和相应的放电时间计算而来的。增加电流密度后，活性材料的可利用率下降：当放电恒电流增加30倍时，放电时间为0.29小时，比容量为133 mAhg-1。

图5 经5小时退火得到的LiFePO4在不同放电速率下的电压电压曲线。充电电流为17 mAg-1；温度为20℃，电极装填LiFePO4量为12.38mgcm-2

锂离子电池的特性

(一)高能量密度

锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池

的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。

(二)高电压

一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值)，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。

(三)无污染

锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。

(四)不含金属锂

锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。

(五)循环寿命高

在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次。

(六)无记忆效应

记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。

(七)快速充电

使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池在1.5--2.5个小时内就充满电。

电动自行车用锂电池分类

电动自行车用锂电池大致可分为三大类：锰酸锂电池、三元材料电池和磷酸铁锂电池

。

锰酸锂电池：解决锰酸锂电池的高温性能，必须对电池的正极材料、电池结构设计和电解液

配方进行改良。

三元材料电池：钴、镍、锰三元材料作为正极材料的锂电池，它克服了锰酸锂的高温性能差的缺陷，又提高了电池的比能量。

磷酸铁锂电池：2002年以来，美国和加拿大开始研制磷酸铁锂电池，它成为一种新的具有巨大发展前途的动力型锂电池。超长寿命，在室温下1C充放电循环达1500次以上。

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