【摘要】 磷酸铁锂材料微观形态显著影响其性能，如粒径关乎容量、倍率及低温性能，晶粒形状影响堆积密度，碳包覆形态则关联电导率、密度及电解液浸润性。

科学指南针-知识课堂

磷酸铁锂材料微观形态显著影响其性能，如粒径关乎容量、倍率及低温性能，晶粒形状影响堆积密度，碳包覆形态则关联电导率、密度及电解液浸润性。扫描电子显微镜（SEM）因其便捷、准确及多功能性，成为观察材料显微形貌的首选，许多厂家已将其列为必备检测手段。

对磷酸铁锂材料进行SEM分析,可以得到以下信息

(1)团聚态和一次粒径颗粒大小

(2)颗粒分布状态

(3)晶粒形状和亚结构

(4)晶粒间碳分布

(5)晶间杂质

图1显示，不同体系合成的磷酸铁锂材料形貌各异：磷酸铁法制备呈球形，晶粒不均，碳分布明显；草酸亚铁法制备呈联结片层状，碳分布于片层间；氧化铁法制备颗粒大、堆积密，但锂扩散距长，容量受限；水热法制备具片层结构，预计倍率与低温性能佳，但接触点少，堆积密度低，内阻稍增。

 

图1：不同体系合成LiFePO4/C材料SEM图

图片版权源自文献

 

观察磷酸铁锂材料微观形貌时，SEM虽常用但存在局限：分辨率不足，高倍下图像模糊；无法提供晶体结构信息；难以解析表面碳包覆层及纳米结构细节。相较之下，透射电子显微镜（TEM）在细微结构观察上独具优势。图2展示了PEG2000为碳源制备的纳米磷酸铁锂TEM图，显示晶粒直径约50nm，呈球形，其间广泛分布裂解碳，显著降低了堆积密度。

 

图2：利用PEG2000为碳源制造的纳米磷酸铁锂微观形貌

图片版权源自文献

 

图3显示，导电碳量不足时，磷酸铁锂颗粒包覆不全，粒径增大。碳含量增至3.1%时，导电碳均匀包覆磷酸铁锂，促进电子传导，减小电化学极化，抑制颗粒生长，缩短锂离子扩散路径。但碳过量（如样品C）则形成碳团聚，降低材料密度，影响放电容量。因此，适中碳含量是确保均匀包覆、获得微小均匀粒径LiFePO4/C复合材料的关键。

 

图片版权源自文献

 

图4展示了水热法制备磷酸铁锂的TEM图像。图(a)显示加入葡萄糖样品表面有焦糖层，烧结后成均匀碳包覆；图(b)为碳包覆层，仅几纳米厚，需TEM观察。图(c)未加葡萄糖样品，图(d)为其碳包覆后，TEM清晰呈现晶粒精细结构、堆积方式及碳包覆状态。

 

图4：水热法制备的磷酸铁锂材料的TEM形貌

图片版权源自文献

 

图5为Kima等用PVB制备的磷酸铁锂TEM照。图(a)无PVB，图(b)含5%PVB，表面附5nm裂解碳层，提升放电性能至近理论容量167.5mA·h/g。薄层碳精细结构需TEM观察。

 

图5：利用PVB制造的酸铁锂材料的TEM表面碳层

图片版权源自文献

 

文章涉及相关文献：

  • 到晓科.碳热还原法合成LiFePO4正极材料的工艺与性能研究。天津:河北工业大学博士学位论文,2010

  • 刘艳辉.磷酸铁锂材料微观形貌特征与性能关系.天津:河北工业大学硕士学位论文,2012

  • Liang G,Wang L,Ou X,et al, Journal of Power Sources, 2008,184:538-542

  • Kima H,Kima J,Kimb W,et al. Journal of Alloys and Compounds.2011,509:5662-5666

 

新能源电池材料测试

 

 

免责声明：部分资料来源于网络，如有侵权麻烦请联系我们