磷酸铁锂（LiFePO4）具有高温稳定性较好、循环性能良好、环保等特点，已成为锂离子动力电池正极材料之一。但由于磷酸铁锂电导率低及锂离子扩散速率慢等缺点，制约其在动力电池行业的发展。因此主要从包覆碳材料对磷酸铁锂进行表面改性、对磷酸铁锂进行掺杂、制备亚微米或纳米级的磷酸铁锂或制备特殊形貌的磷酸铁锂3方面进行综述，分析改善磷酸铁锂性能最优的方法，对其未来的发展趋势进行了预测。

1.1 LiFePO4的基本结构

LiFePO4为有序的橄榄石结构，属于正交晶系，在晶体结构中氧原子以稍微扭曲的六方紧密堆积的方式排列。Fe 与Li 分别位于氧原子八面体中心4c和4a 位置，形成了FeO6和LiO6八面体。P 占据了氧原子四面体4c 位置，形成了PO4四面体。其晶胞参数

a=0.600 8 nm，b=1.032 4 nm，c=0.469 4 nm。LiFePO4的结构示意图如图1 所示［6］。

LiFePO4的电化学反应原理

LiFePO4正极材料的理论电化学比容量为170 mA·h/g，相对金属锂的电极电位约为3.45 V，理论能量密度为550 W·h/kg［1］。LiFePO4电池充放电是在LiFePO4与FePO4两相之间进行，由于LiFePO4与FePO4的结构相似，所以LiFePO4

具有较好的循环稳定性，在充放电过程中，体积变化约为6.81%［1］。

锂电池充电时，Li+从正极脱出，经过电解液、隔膜，迁移到负极，此时负极处于富锂状态。锂离子从正极脱出后，正极的LiFePO4转化为磷酸铁。放电过程正好相反［1］，其充放电化学反应式可表示成式（1）和式（2）：

改性LiFePO4的电化学性能研究

对LiFePO4的改性，主要是利用碳材料（活性炭、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等）进行表面修饰或掺杂，利用Ti4+、Co2+、Zn2+、Mn2+、N3+、F-等离子进行锂位掺杂、铁位掺杂或氧位掺杂来改进其电化学性能。

碳材料改进LiFePO4的电化学性能研究

因为碳材料有优良的电导率， 通过将正极材料LiFePO4与活性炭、介孔碳、纳米碳纤维（CNF）、多壁碳纳米（MWCNTs）、石墨烯等进行复合， 制备LiFePO4复合正极材料，可以有效地改善其循环、倍率等电化学性能［7-10］。

Y.Q.Qiao 等［7］利用商业碳纳米管，并利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）进行巧妙地包覆，最终经过一系列工艺与LiFePO4复合， 形成了碳纳米管包覆的LiFePO4

纳米复合材料。其中， 碳纳米管形成了3D网络结构， 有力地改进了LiFePO4的电导率和锂离子的扩散系数， 使得复合正极材料展现出了杰出的倍率性能和超长的循环寿命。以10C 电流密度循环1 000 次之后，比容量约为123 mA·h/g，只损失了约1.6%的比容量，当循环到3 400 次时，比容量大约为100 mA·h/g，仍保持有80%的比容量，电化学性能非常优异。X.Tu 等［8］利用氮掺杂碳纳米管，也成功地改进了LiFePO4的电化学性能。

R.A.Susantyoko 等［9］利用MWCNT 取代了常用的集流体铝箔， 重新设计了正极结构， 形成了MWCNT-LiFePO4正极材料，成功地改进了LiFePO4的比容量。当添加10% MWCNT 的LiFePO4材料以较低的电流密度（17 mA/g）放电时，其比容量达到了144.9 mA·h/g，当以较大的电流密度（170 mA/g）循环100 次之后，其比容量仍然约为126.7 mA·h/g，有效地提高了LiFePO4的电化学性能。

Y.Zhang 等［10］以蔗糖作为碳源，通过溶胶凝胶法合成了活性炭包覆的颗粒尺寸为1~2 μm 的不规则球形的LiFePO4

正极材料， 电化学性能测试表明，当放电电流密度为0.1C 时，其比容量达到了163.5 mA·h/g，经过110 次循环，其比容量保持率为91.1%（149.0 mA·h/g），并且具有良好的倍率性能，相比商业用LiFePO4，其电化学性能得到了很大提升。G.Wu 等［11］合成的LiFePO4/C 复合材料，表现出良好的低温性能，在-20 ℃，其比容量提高了20%。文献［12-16］报道了活性炭包覆或者氮掺杂的活性炭碳包覆， 都能够一定程度上提高LiFePO4的电化学性能。

石墨烯具有优异的性能， 经常用来改进锂电池正负极材料的电化学性能。Y.Guan 等［17］利用商业石墨烯， 制备了LiFePO4

与活性炭及石墨烯的复合正极材料，表现出优异的倍率性能。以100C 电流密度放电时，其比容量达到了66 mA·h/g，经过3 000 次的循环，其比容量仍然保持在82%，结构相当稳定。同课题组制备的3D 结构LiFePO4石墨烯复合材料，也表现出优异的倍率性能，分别以30C 和50C 电流密度放电时，其比容量达到了112.4 mA·h/g 和96.7 mA·h/g，并且在30C 电流密度下，经过300 次的循环，其比容量保持率为96.3%［18］。文献［19-21］报道了直接用石墨烯或者氮掺杂石墨烯等改进LiFePO4的电化学性能，都有效地提高了LiFePO4的循环性能或倍率性能。以上分析可见，利用碳材料尤其利用石墨烯改进LiFePO4的电化学性能，是行之有效的途径，但是碳材料的应用，也会一定程度上降低材料振实密度，并且存在制备过程较为复杂的问题，期待进一步的研究。

截取自

锂离子电池正极材料磷酸铁锂的研究进展 

青海师范大学物理与电子信息工程学院