通过PEG6K辅助制备FePO4前驱体，提高了LiFePO4/C正极材料的性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced performance of LiFePO 4/C cathode materials via PEG6K-assisted fabrication of FePO 4 precursor

锂铁磷酸盐通过PEG6K辅助共沉淀法制备，获得均匀颗粒和优异电化学性能，500次循环容量保持率92.9%，50℃首次放电容量148.6 mAh g?1。

　　

方忠义|钟曹楠|杨超|文向宇|欧俊科

成都大学机械工程学院，中国成都市石岭镇，610106

摘要

尽管LiFePO₄由于具有卓越的安全性、稳定性和长循环寿命而在绿色能源解决方案中得到广泛应用，但它仍面临显著的限制。其固有的低电子和离子导电性限制了其在高性能电池应用中的实用性。在这项研究中，通过使用PEG6K作为抗聚集剂来优化前驱体，制备出了具有均匀粒径和优异电化学性能的LiFePO₄材料。结果表明，在1?C下，LFP-5样品在室温下的初始放电容量为143.6 mAh g?1。经过500次1?C循环后，容量保持率为92.9%。特别是在50 ℃下，LFP-5样品的首次放电容量为148.6 mAh g^-1。LFP-5复合材料相对于LFP-0在循环稳定性方面表现出明显优势。这些结果表明，PEG6K的辅助作用可以有效提高LiFePO₄正极合成工艺的形态均匀性、电导率和结构稳定性。

引言

在全球对可持续能源需求激增的背景下，实现碳中和已成为国际共识。为了应对能源危机和生态恶化带来的压力，迫切需要推动绿色能源的技术创新和产业部署[1]。在储能应用中，电池因具有较高的能量密度、延长的耐用性和高效的充放电特性而被视为基础技术[2]。这些特性使其在电气化交通、电网稳定网络和间歇性可再生能源集成系统中发挥着关键作用[2]。锂铁磷酸盐（LiFePO₄/LFP）凭借其低毒性、丰富的资源可用性、具有竞争力的成本结构以及高理论容量（170 mAh g?1）而成为锂离子正极材料中的佼佼者[3]。橄榄石结构的LiFePO₄具有优异的热稳定性[4]、[5]、[6]和内在安全性[7]、[8]、[9]，在高温环境下不易发生热失控现象。此外，其充放电过程中的体积变化小，进一步提高了电池的可靠性[11]。LFP材料环保、原材料丰富且成本低廉。凭借其长循环寿命[12]、高容量保持率[13]和优异的倍率性能[14]，LFP非常适合对安全性和寿命有高要求的应用。值得一提的是，由于锂铁磷酸盐材料的化学稳定性，其回收工艺已经成熟，从而在整个生命周期内显著提升了其经济和环境效益[15]、[16]。然而，LiFePO₄固有的低电子导电性从根本上限制了其电化学性能，这是其商业应用的主要障碍。

为了解决LFP导电性有限的问题，研究人员提出了多种改进策略，包括碳涂层[17]、离子掺杂[18]、纳米结晶[19]和形态调控[20]。Mi等人（2008年）[21]使用溶胶-凝胶法（162.1 mAh g?1）和共沉淀法（160.5 mAh g^{?1₄制备了LiFePO₄/C复合材料，获得了较高的放电容量。Liu等人（2013年）[22]使用纳米FePO₄作为前驱体，通过受限喷射反应器制备了LiFePO₄/C，该正极材料在80?C下的放电容量为95 mAh g?1。2016年，Zhou等人[23]使用无水FePO₄前驱体通过固相处理制备了碳涂层的LiFePO₄/C，初始放电容量为163.4 mAh g?1（0.1?C）。2025年，Song等人[24]使用三磷酸腺苷（ATP）作为有机磷前驱体，通过溶剂热法制备了LiFePO₄纳米棒，放电容量为154.27 mAh·g?1（1?C）。然而，很少有研究关注通过调控FePO₄的形态来优化LiFePO₄正极的性能。}

在这项工作中，LFP-5是通过FePO₄前驱体共沉淀后进行固相混合和高温煅烧的方法制备的。特别是，在共沉淀过程中引入了PEG6K作为抗聚集剂，以调控FePO₄的形态和分散性。通过这种方法控制FePO₄的形态和结构，成功制备出了具有高结晶度、优异循环稳定性和优越倍率性能的LFP-5材料。这项研究不仅提供了一种制备LFP材料的新方法，还为其在锂离子电池中的广泛应用奠定了实验基础。因此，PEG辅助的LFP-5样品表现出优异的电化学性能：在0.2?C下的比容量为158.4 mAh g^-1，在室温下经过500次1?C循环后容量保持率为92.9%。

部分内容摘录

LFP的制备

碳涂层的LFP-5正极材料是通过图1中所示的多步骤路线制备的，包括PEG6K辅助的前驱体共沉淀、真空干燥和氩气气氛下的高温碳化。具体操作步骤如下：首先，将0.02?mol FeSO₄·7H₂O和0.04?mol H₂O₂溶解在去离子水中，使Fe²⁺完全氧化为Fe³⁺。然后加入5?wt %的PEG6K作为抗聚集剂，以减少FePO的聚集。

结果与讨论

LFP-5复合材料的制备过程如图1所示。本研究采用了共沉淀法和球磨法相结合的合成策略。如图1所示，该策略详细说明了锂铁磷酸盐纳米材料反应过程中的机理。PEG6K作为抗聚集剂，在FP纳米材料合成过程中控制了粒径和形态，同时提高了结构稳定性。

结论

为了显著提高LiFePO₄正极的电化学性能，本研究开发了一种创新的合成策略。该策略的核心是结合了共沉淀和高温碳化工艺，并同时引入了PEG6K抗聚集改性技术。通过一系列协同步骤，该策略有效改善了材料的电化学性能。

CRediT作者贡献声明

杨超：研究工作。文向宇：研究工作。欧俊科：资源支持。方忠义：撰写——原始稿件、方法学设计、研究工作。钟曹楠：研究工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了龙泉驿区（成都）科学技术项目的支持（项目编号：2024LQYF0028）。