锂离子电池的明星材料磷酸铁锂:基本性能、优化改性及未来展望

田柳文¹，于华¹，章文峰¹，陈涛¹，黄跃龙¹，郑先峰²

1. 西南石油大学光伏产业技术研究院2. Nanomaterials Centre,The University of Queensland

摘 要：磷酸铁锂（LiFePO4,LFP）属于橄榄石型锂过渡金属磷酸盐,因具有突出的优点,如成本较低、安全性高、环境友好、元素储量丰富、晶体结构稳定、工作电压平稳等,而成为目前商业化应用最成功的锂离子电池正极材料之一。然而,LFP稳定的晶体结构也导致了其低的电子导电率(10^-9～10^-10S·cm^-1)和锂离子（Li⁺）迁移率(10^-13～10^-16cm²·s^-1),使其电化学性能受到严重限制。因此,克服材料本身缺陷,提升其可逆容量及倍率性能,便成为国内外储能器件领域的热门课题之一。一方面,持续的基础研究使人们对LFP及其类似材料有了更加清晰的认识,为LFP的进一步优化改性提供了理论依据。另一方面,目前LFP的商业化生产主要采用固相法,其电化学性能仍有很大的提升空间,改进生产工艺或开发新的产业化制备技术是学术界和产业界共同关注的重要方向。近几年来,研究者们在LFP的改性优化研究上取得了丰硕成果,LFP的改性优化策略主要有以下几种:（1）结构纳米化;（2）先进碳材料复合;（3）晶面取向工程;（4）原位碳包覆;（5）抑制或消除缺陷;（6）离子掺杂;（7）量子点改性等。实现LFP基复合材料优异电化学性能需结合多种改性策略,单一改性策略难以实现性能突破。由于锂离子（Li⁺）在LFP中沿b轴方向具有一维扩散特性,制备具有（010）晶面择优取向的LFP有利于缩短Li+在LFP体相中的传输距离,增加脱嵌位点,提升反应动力学性能。因此,晶面取向工程成为近几年提升LFP性能的重要策略。另外,随着对LFP基础研究的不断深入,在电池充放电过程中Li+的脱嵌、传输、反应机理及材料结构演变等动态过程方面也取得了一系列重要进展。本文基于橄榄石型LFP（Pnma）的晶体结构,系统总结了Li⁺的扩散机制、（010）晶面特性及其对材料电化学性能的影响,并从七个方面综述了近几年LFP改性优化的研究进展。最后,指出了LFP未来的主要发展方向及研究思路。

关键词：磷酸铁锂;锂离子扩散;反位缺陷;(010)晶面;正极材料;锂离子电池;