磷酸铁锂正极材料稳定性探讨

磷酸铁锂正极材料稳定性探讨

张世杰副总工程师

中国电子科技集团公司第十八研究所

目录

引言

磷酸铁锂正极材料产业现状分析

目前磷酸铁锂正极材料批产存在的主要质量问题

产生质量问题的主要原因分析

如何提高磷酸铁锂批次稳定性

讨论

1、引言

采用磷酸铁锂正极材料制备的锂离子电池与其他正极材料制备的锂离子电池比较具有三个突出的特点：一是电池安全性好，电池在过充电、过放电、短路、针刺等试验条件下安全；二是电池充放电循环寿命长且容量保持率高，能够循环2000次且容量仍能保持90%；三是电池倍率放电能力强，可以几十倍率放电。因此，磷酸铁锂正极材料被公认为是动力锂离子电池理想正极材料，也成为世人关注的“热点”。

锂离子电池制造商在使用国产磷酸铁锂正极材料试验和生产电池过程发现：国产磷酸铁锂正极材料与国际先进同类产品相比仍有较大差距、一部分磷酸铁锂供应商提供的材料存在不同程度的质量问题、批次产品之间存在质量不稳定等问题。为此，国产磷酸铁锂正极材料质量一致性又成为人们关注的“焦点”。

如何迅速解决磷酸铁锂正极材料生产中存在的关键技术问题、工艺技术问题和产品质量问题？如何提高磷酸铁锂批生产过程产品批次不稳定问题？更是从事磷酸铁锂正极材料技术研究、产品开发、中试和批生产技术攻关工作者所面临的一大“难点”。

本报告正是针对以上人们关心和关注的问题，结合实际工作中遇到的问题，浅谈一些粗浅的见解。

2、磷酸铁锂正极材料产业现状分析

国内已经形成了一批磷酸铁锂正极材料生产商，产业初具规模，并把产品投向市场，提供给锂离子电池制造商使用。但是，大家普遍感到：目前国内磷酸铁锂正极材料批量生产技术还存在突出的工艺稳定性问题。突出表现在：

一些大的锂离子电池制造商从磷酸铁锂材料平均粒径、电极加工性、电极压实密度、实际比容量、循环寿命、倍率放电、温度特性、安全性等方面对国内几个磷酸铁锂材料供应商和Valence等国外供应商所提供的材料进行了非常系统的试验评价，客观的试验数据表明：国内磷酸铁锂批产产品与Valence等国外供应商产品比较仍有较大差距；

表1： Valence公司产品与国产产品3个主要指标对比

a)一些锂离子电池制造商还反映一个现象：同一供应商提供的产品质量批次一致性差异较大、重复性很差；

b)来源于工信部化学与物理电源质量监督检测中心的信息：磷酸铁锂正极材料制备的动力型锂离子电池在进行安全性能试验过程也

发生电池爆炸现象，估计与磷酸铁锂材料的质量有直接关系。

c)磷酸铁锂正极材料市场需求和应用迫切要求我们刻不容缓的解决存在的产品存在的质量问题和批产不稳定的工艺技术问题。请看

下面4个信息：

第一、来源于2009年初中国化学与物理电源行业协会最新的统计数据见表2：

表2：2005-2008年国内主要电池产品产量（单位：亿只）

140mAh/g、利用率90%计算，每年的正极材料市场需求量为：17262吨。其中磷酸铁锂按20%的份额，则为：3452吨（存量市场）。

第二、来源于2009年7月在北京举办的电动汽车和动力电池展览会的调研信息，其中有两个突出的特点：其一、采用磷酸铁锂动力型锂离子电池作为电动轿车、电动大巴等解决方案的至少占参展的90%的比例；其二、电动自行车采用磷酸铁锂动力型锂离子电池作为电源解决方案的也占了绝大多数（打破了过去由传统的铅酸蓄电池“一统天下”的格局）。可见：磷酸铁锂锂离子电池在锂离子电池本身所占电池品种比例也逐渐扩大，这就意味着磷酸铁锂正极材料的市场份额逐步扩大。

第三、2009年初来源于工信部化学与物理电源质量监督检测中心的测试信息， 2007-2008年期间为行业内测试的锂离子电池中，磷酸铁锂锂离子电池品种占50%的比例、磷酸铁锂锂离子单体电池容量从1Ah到60Ah。

第四、根据2009年初国家对电动汽车产业产品销售给予经费补贴的政策预测未来磷酸铁锂材料需求市场，自该政策出台后，电动汽车制造商苦于买不到合格的电池、特别是锂离子动力电池。假设未来3-5年，我国年产1000万辆轿车中10%是电动汽车，

电池组能量在30-40kWh，若磷酸铁锂锂离子电池占50%的份额，则需要磷酸铁锂正极材料约为40000吨。

从用户关注的“焦点”得出：磷酸铁锂正极材料未来的增量市场急剧上升、但现状是在国内很难买到国产高质量的磷酸铁锂正极材料。

3、目前磷酸铁锂正极材料批产存在的主要质量问题

1.产品振实密度低。Valence公司磷酸铁锂材料的振实密度为1.5g/cm3，而国内在《电源技术》登广告的磷酸铁锂正极材料供应商提供的数据为1.2g/cm3，国内批产产品的水平通常在1.0g/cm3-1.2g/cm3。假设1只18650电池中磷酸铁锂正极设计体积为7cm3，采用1.5g/cm3振实密度的材料可装入10.5克；而采用1.2g/cm3振实密度的材料仅装入8.4克，两者差了约25%。

2.产品比容量低。国内科研和中试阶段磷酸铁锂材料做得好的达到150mAh/g-155mAh/g，而批产产品通常在120mAh/g-140mAh/g范围，而Valence公司磷酸铁锂材料稳定在140 mAh/g。若120mAh/g与140mAh/g两种质量水平材料比较，2只18650电池分别各装入12g两种材料，则2只电池的理论放电容量分别为1440 mAh和1680mAh，相差200 mAh的容量。

3.批次之间产品质量一致性差。国内锂离子电池制造商采购国产磷酸铁锂正极材料的采购标准非常实际，如果某个磷酸铁锂供应商提供的产品振实密度控制在1.2g/cm3、比容量稳定在130mAh/g-140mAh/g、其他性能符合要求，基本就满足了锂离子电池制造商的采购要求。关键是磷酸铁锂供应商提供的产品批次之间质量一致性不好、误差大，无疑给电池制造商带来了很多麻烦。