摘要：磷酸铁正极材料具有成本低、比容量大和循环寿命长等优点，但其放电能力相对较差。基于此，研究利用微波法制备改性材料，以碳酸锂和磷酸铁作为原料，葡萄糖等作为碳源和还原剂，通过掺杂金属离子对该材料进行改性处理。实验结果表明，改性后的材料在微波温度为700℃情况下反应更加充分，且相较于3种金属离子共掺杂的改性方法，双掺w（钛离子）=0.5％、w（锰离子）=1％的金属离子改性方法的比容量保持率和放电性能更佳。研究结果能够为新能源电池行业的电池性能优化提供新的思路。

　　关键词：磷酸铁锂；改性；电池；发电性能；正极材料

　　0引言

　　随着新能源行业的快速兴起，锂离子电池得到了广泛的应用。磷酸铁锂电池作为现代能源存储领域的重要组成部分，能够实现化学能和电能的可持续转换和存储[1]。但磷酸铁锂材料存在电导率较低和高温性能较差等问题，限制了其在某些应用场景中的应用[2-3]。在众多优化策略中，对磷酸铁正极材料进行改性处理成为提升电池性能的有效途径之一[4]。几种常见的改性手段包括表面包覆、纳米化改性以及引入其他元素的掺杂改性。为寻找最合适的改性方法，进一步提高锂离子电池的电化学性能，通过对比几种改性方法对磷酸铁锂电池性能的影响，确定出了最佳改性方案。本研究的创新性在于通过制备多种配方及工艺的改性磷酸铁正极材料并分析其性能，实现了锂电池性能的优化。

　　1实验材料制备及方法设计

　　1.1实验材料及设备

　　研究使用的原材料包括抗坏血酸、硫酸亚铁、乙二醇、导电炭黑、金属锂片、葡萄糖、二氧化钛、氧化镁、磷酸铁、磷酸、乙二醇、聚偏氟乙烯、锂电池电解液、氢氧化锂、乙酸锰、硫酸亚铁、N-甲基吡咯烷酮、碳酸锂和十六烷基三甲基溴化铵。实验设备包括PX-CP-20纽扣电池手动冲片机、SLT-A微型涂布机、Rise-2028激光粒度分析仪、DZF真空干燥箱、gM-1650离心机、DL gR-05S微波加热炉、蓝电（LAND）系列电池测试系统、XRD-6100X射线衍射分析仪、PX-gY-100实验型辊压机、磁力搅拌、电子天平、JEOL-7500F扫描电子显微镜和水热反应釜。

　　1.2磷酸铁正极材料改性

　　研究首先合成LiFePO4/C正极材料，然后，通过微波法掺杂金属离子对正极材料进行改性。首先，按照1：1的摩尔比将碳酸锂和磷酸铁进行混合研磨。将混合粉末置于马弗炉中，在惰性气氛保护下，700℃下煅烧1 h，以确保碳酸锂与磷酸铁充分反应，生成纯净的LiFePO4相。随后，通过湿化学法引入改性剂。具体而言，是将适量的金属盐溶液，即锰盐、镁盐或钛盐与葡萄糖、抗坏血酸等含碳前驱体和适量的乙二醇混合（乙二醇溶液中加入了阳离子表面活性剂：十六烷基三甲基溴化铵），形成均匀的溶液或浆料。这一步骤旨在将金属离子均匀地分散在LiFePO4颗粒表面或内部。同时，碳源将作为导电剂，提高材料的电子导电性[5]。接下来，将上述混合液通过喷雾干燥或滴加至LiFePO4粉末中，并充分搅拌，使改性剂均匀包覆或掺杂于LiFePO4颗粒中。微波加热不仅能够有效缩短反应时间，还能促进改性剂与LiFePO4颗粒之间的相互作用，实现更均匀的掺杂效果。此外，微波加热还有助于减少颗粒团聚，提升材料的比表面积和孔隙率，进一步优化材料的电化学性能。因此，研究将改性后的LiFePO4粉末置于微波加热炉中，利用微波的快速加热特性，在较短的时间内达到所需的反应温度，研究将反应温度设置为750～850℃,并进行一段时间的保温处理。

　　1.3实验方法确定

　　称取1g聚偏氟乙烯，并将其加入N-甲基吡咯烷酮中进行磁力搅拌，直到完全溶解。之后，将1 g导电炭黑和8 g磷酸铁锂加入到溶液中进行搅拌，并将搅拌得到的浆料涂到铝箔上，将铝箔放在鼓风干燥箱中干燥处理4 h。最后，将涂覆后的铝箔片进行辊压，得到圆片，并将其组装到扣式电池中用于后续的电化学性能测试。在测试过程中，研究采用LAND电池测试系统对其充放电性能进行分析。之后，通过衍射分析仪器对制备得到的改性材料进行扫描，根据扫描结果对制备得到的晶体情况进行分析，以确定材料的结构和相纯度。利用粒度分析仪对样品进行二次粒度分析，根据分析结果判断改性材料的均一性和颗粒分布状况。

　　2正极材料改性对磷酸铁锂电池性能的影响分析

　　在制备改性材料过程中，研究采用了微波加热的方式对其进行处理。为寻找最为合适的微波温度，研究在550、650、700℃下制备不同的改性材料，并将各个改性材料的包碳量统一为3％。不同温度下制备的改性材料的X射线衍射谱图如图1所示。

　　由图1可知，在550℃时，图谱中仍存在较多的Fe2O3特征峰，说明其尚未完全反应。在650℃时，图谱中的特征峰比较尖锐、对称，说明随着温度的升高，生成了较为纯净的LiFePO4相。在700℃下制备的样品，其X射线衍射图谱与标准LiFePO4图谱高度一致，几乎没有杂质峰的出现，表明在此温度下制备的改性材料具有较高的晶体纯度和结晶度。此外，随着微波温度的升高，图谱中的衍射峰强度也逐渐增强，材料的结晶性得到提升。

　　为提高正极材料的性能，研究通过金属离子掺杂改性的方式对其进行优化。研究加入的金属离子包括钛离子、锰离子和镁离子。为检验添加3种金属离子相较于单一离子的改性效果，研究对比了单掺w（钛离子）=1.5％、双掺w（钛离子）=0.5％和w（锰离子）=1%以及3种金属离子共掺杂w（钛离子）=0.5％、w（锰离子）=0.5％和w（镁离子）=0.5％情况下对磷酸铁锂正极材料充放电性能的影响，具体结果如图2所示。

　　由图2可知，3种金属离子共掺杂的改性材料的充放电曲线的放电比容量为112 mA/g，双掺金属离子的改性材料的首次放电比容量为116 mA/g，单掺钛离子的改性材料的放电比容量为107 mA/g。综上可知，双掺钛离子和锰离子的改性材料相较于另外两种材料的充放电性能更佳。

　　为进一步检验3种金属离子掺杂改性方法对电池的循环性能的影响，研究通过实操实验绘制出改性材料在1C倍率下的循环性能图和循环伏安图，如图3所示。

　　由图3-1可知，3种金属离子在1C倍率情况下循环20次后的容量保持率依旧在96％以上，其中，双掺改性材料的保持率相较于另外两个改性材料高了0.5％左右。由图3-2可知，加入钛离子后，改性材料的氧化电位为3.620 V，还原电位为3.224 V，电位差为0.396 V。电位差相较于未改性材料得到了明显减小。这是由于钛离子容易取代锂的位置而进入晶格中，使得晶体产生缺陷，增加载流子。同时，晶胞体积减小，缩短锂离子的迁移路程，进而提高了材料内部的电导率。而双掺杂改性和三掺杂改性的电位差分别为0.360 V和0.358 V，二者区别不大。这是由于锰离子和铁离子半径接近，容易掺入到Fe位形成固溶液，且加入少量锰后，进一步增大了晶胞体积，使得晶格发生畸变，更有利于锂的脱出。

　　3结语

　　为提高磷酸铁锂电池的性能，研究通过碳包覆和金属离子掺杂改性的方式对其正极材料进行优化。通过分析正极材料改性对磷酸铁锂电池性能的影响，并根据分析结果进一步调整改性工艺参数。结果表明，在微波温度为700℃时，材料的晶体纯度和结晶度较高，为改性材料的基础性能提供了良好的保障。同时，通过双掺钛离子和锰离子的方式，实现了对磷酸铁锂正极材料电化学性能的显著提升。这种改性方法不仅提高了材料的放电比容量，而且改善了电池的循环性能，使得电池在多次充放电后仍能保持较高的容量保持率。在进一步的研究中发现，双掺改性材料在循环性能上表现出色，放电比容量达到了116 mA/g，循环过程中的容量保持率也相对更高，电位差为0.360 V，相对较小。研究虽然得到了较为优良的改性方案，但对于包覆材料并没有进一步探究。在今后的研究中，可考虑使用不同种类的碳材料进行包覆，以期进一步提升电池的性能。

　　[1]樊立萍，温越霄.CeO2-β-CD改性阳极微生物燃料电池处理抗生素废水的性能研究[J].高校化学工程学报，2023，37（2）：312-318.

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　　[4]董琪，克力木·吐鲁干，谢京燕.石榴石基固态电池负极疏锂界面改性研究[J].化工新型材料，2023（2）：363-367.

　　[5]田朋，徐金钢，徐前进，等.纳米氧化铝浆料制备及用于改性锂电池正极材料[J].无机盐工业，2023，55（12）：43-49.