随着大功率电子器件的不断发展，提高锂离子电池的高倍率性能成为一个亟待解决的问题。

目前为解决这个问题，许多人会选择从正极材料入手——因为正极材料不仅在电池成本中占比最高，其性能也是影响电池整体电化学性能和安全性的主要因素。

目前研究较多的正极材料主要有钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等三元材料、锰酸锂及磷酸铁锂。其中，橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO₄）正极材料因资源丰富、循环寿命长、安全性好等优点成为世界各国竞相研究和开发的热点之一，被广泛应用于新能源汽车、储能设备、不间断电源、电动工具等领域，市场前景十分广阔。

磷酸铁锂晶体结构及SEM图（SEM图来自中科科仪）

但与其他正极材料相比，LiFePO₄电导率较差，因此也限制了其倍率和循环性能。为了提高LiFePO₄的电子电导率，许多学者对其进行了离子掺杂、表面包覆、颗粒纳米化等改性研究，其中表面碳包覆是新能源材料领域最常见的一种材料改性方式，其过程为：在高温烧结时，碳源类材料发生碳化反应，造成结构的变化和一定程度的石墨化，而形成的碳层会紧紧包覆在LiFePO4晶体外部，大多会形成一种核-壳结构。

据悉，对材料进行碳包覆，一方面可以改善材料的电导率，另一方面可以提供稳定的化学和电化学反应界面。因此，如何实现有效的碳包覆就显得特别重要，以下是部分要点的总结。

给磷酸铁锂整点碳

一、表面碳包覆的方法

选择合适的表面包覆方法，对在LiFePO₄活性颗粒表面形成均匀的包覆层至关重要。目前常用的表面碳包覆方法可分为湿化学法、沉积法和化学聚合法等。

1、湿化学法

湿化学法是在水中或水溶液中进行的，通常包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等。在水溶液、有机溶剂、溶胶-凝胶等溶液中合成LiFePO₄/C可得到均一的前驱体，实现不同原材料在原子或分子尺度上的混合（生成高纯度的微粒）。相比于高温固相法，湿化学法更简单易行。

虽然湿化学方法的合成路径简单易操作，且能够形成纳米级材料，但其仍存在如合成产量低，所需前驱体成本高，对表面包覆层一致性和均匀性的控制较困难以及热处理过程中酸性气体的处理等问题。

2、沉积法

利用沉积法合成材料可以在材料颗粒表面得到均一的包覆层。近年来，原子层沉积(ALD)技术已经在工程纳米结构方面取得了可观的应用。ALD是基于依次使用气固表面反应的一种膜沉积技术，通过控制反应沉积工艺，使其具有在基底上沉积均匀薄膜的卓越优势，并能在原子尺度上灵活调整目标材料的尺寸、厚度和组成。不过，虽然沉积法制备的材料形貌和性能较好，但由于其成本高昂，不适宜大规模生产。

使用沉积法合成LiFePO₄/ CNT纳米复合材料

3、化学聚合法

用无机碳材料包覆改性LiFePO₄后，其电化学活性会变差，导致LiFePO₄的实际比容量降低。而用有机聚合物作为碳材料来改性LiFePO₄就表现出各种优势，如容易在材料内部形成纳米结构和三维导电网络。在电池充放电过程中，电极材料不可避免地会发生体积膨胀和收缩，而有机聚合物可因其结构的灵活性来保护电极材料。同时，有机聚合物具有多孔结构，有利于锂离子的可逆脱嵌，从而提高其倍率性能。因此，在各种合成LiFePO₄的过程中加入有机聚合物，可在LiFePO₄颗粒表面形成一层疏松的石墨化碳层，形成各种LiFePO₄/C复合材料。

Song 等通过原位碳化苝四甲酸二酐聚合物制备了LiFePO₄/石墨化碳复合材料

二、碳源的选择

不同碳源的性质会影响其碳化过程中碳层的形状、结构以及磷酸铁锂颗粒的包覆情况，因此在碳包覆改性过程中选择合适的碳源对改善LiFePO₄电化学性能是很关键的。目前在碳包覆中，常用的碳源可分为无机类碳源、有机类碳源和有机聚合物碳源，部分代表材料如下：

①无机类碳源：炭黑、碳纳米管、石墨烯等各种类型的碳材料；

②有机类碳源：蔗糖、葡萄糖、淀粉、柠檬酸等有机物；

③有机聚合物碳源：聚苯胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇等高分子物质。

有研究者通过实验证实，无机碳源炭黑制备的LiFePO₄/C材料为形状不规则且呈类球形的团聚体，而以有机碳源制备的LiFePO₄/C材料呈规则状多孔球形结构，具有较高的比表面积和放电比容量。

石墨烯是用于LiFePO₄改性的先进碳材料之一（来源： Gnanomat tech.）

另外，像石墨烯这种具有高电子传导性、高比表面积以及优异结构稳定性的高度石墨化先进碳材料，也是解决LiFePO₄材料缺陷所导致性能问题的好方式，近年来受到越来越多研究者的青睐。

三、总结

采用导电碳材料包覆技术，可以作为保护层缓解电解质的分解，增强正极材料的稳定性；同时，因为具有良好的导电性，碳包覆能够提高电池的高倍率性能。特别是碳材料的成本低，采用它包覆有利于大规模的商业化生产。

值得一提的是，碳材料包覆除了应用于LiFePO₄这样导电性较差的正极材料外，也能用于其他电极材料中。Cao等采用碳包覆LiCoO₂正极材料，在0.1C下放电比容量从110mAh·g^-1提高到130mAh·g^-1，在1C下碳包覆放电比容量为123mAh·g^-1，而纯相仅为31.4mAh·g^-1，明显提高了LiCoO₂材料的倍率性能。

此外，随着表面表征技术的进一步发展，目前材料在经碳包覆前后的变化已经能够实现清晰的可视化，比如说扫描电子显微镜（SEM）就是观察LiFePO₄碳包覆效果的重要工具之一。如果对此感兴趣，在12月25-27日举办的“2022年全国新能源粉体材料暨增效辅材创新发展论坛（第二届）”将有报告讲解相关内容，欢迎关注！

相关报告：中科科仪：扫描电镜在新能源材料中的应用（报告）

资料来源：

袁梅梅，徐汝辉，姚耀春. 锂离子电池正极材料LiFePO4的表面碳包覆改性研究进展[J]. 材料导报，2020，34(19):19061-19066. DOI:10.11896/cldb.19080053.

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