鋰電正極材料磷酸鐵鋰的制備方法是什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-29 11:53
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與其他鋰電池正極材料相比，橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰更具有安全、環(huán)保、廉價、循環(huán)壽命長、高溫性能好等優(yōu)點，是最具潛力的鋰離子電池正極材料之一。
安全性能高
磷酸鐵鋰晶體中有穩(wěn)固的P-O鍵，難以分解，在過充和高溫時不會結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或生成強氧化物，過充安全性較高。
循環(huán)壽命長
高溫性能好
磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只有200℃左右。
環(huán)保
磷酸鐵鋰電池一般被認(rèn)為不含重金屬和稀有金屬，無毒，無污染，是絕對的綠色環(huán)保電池。
磷酸鐵鋰作為正極材料的充放電作用機理不同于其他傳統(tǒng)材料，其充放電參與電化學(xué)反映的是磷酸鐵鋰的磷酸鐵兩相，充放電反應(yīng)如下：
充電反應(yīng)：
LiFePO4 -xLi+ - xe- → xFePO4 + (1-x)LiFePO4
放電反應(yīng)：
FePO4 + xLi+ + xe- → xLiFePO4 + (1-x)FePO4
充電時，Li+ 從LiFePO4中脫離出來，F(xiàn)e2+ 失去一個電子變成 Fe3+;放電時，Li+ 嵌入磷酸鐵中變成 LiFePO4 。Li+ 的變化發(fā)生在LiFePO4 / FePO4 界面，因此其充放電曲線非常平坦，電位也較穩(wěn)定，適合做電極材料。
三、磷酸鐵鋰的制備
制備磷酸鐵鋰的原料豐富。部分常見鋰源、鐵源、碳源、磷源如下：
磷酸鐵鋰粉體的制備在一定程度上會影響其作為正極材料的性能。目前制備磷酸鐵鋰的方法很多，如高溫固相反應(yīng)法、碳熱還原法以及尚未規(guī)?；乃疅岱?、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。
1.高溫固相反應(yīng)法
高溫固相反應(yīng)法是制備磷酸鐵鋰是目前發(fā)展最為成熟也是使用最廣泛的方法。將鐵源、鋰源、磷源按化學(xué)計量比均勻混合干燥后，在惰性氣氛下，首先在較低溫度(300~350℃)下燒結(jié)5~10h，使原材料初步分解，然后再在高溫(600~800℃)下燒結(jié)10~20h得到橄欖石型磷酸鐵鋰。
高溫固相法合成磷酸鐵鋰工藝簡單，制備條件容易控制，缺點是晶體尺寸較大，粒徑不易控制、分布不均勻，形貌也不規(guī)則，產(chǎn)品倍率特性差。
2.碳熱還原法
碳熱還原法是在原材料混合中加入碳源(淀粉、蔗糖等)做還原劑，通常和高溫固相法一起使用，碳源在高溫煅燒中可以將Fe3+ 還原為Fe2+ ，避免了反應(yīng)過程中Fe2+變成Fe3+，使合成過程更加合理，但是反應(yīng)時間相對較長，對條件的控制更為嚴(yán)苛。
3.噴霧熱解法
噴霧熱解法是一種得到均勻粒徑和規(guī)則形狀的磷酸鐵鋰粉體的有效手段。前驅(qū)體隨載氣噴入450~650℃的反應(yīng)器中，高溫反應(yīng)后得到磷酸鐵鋰。噴霧熱解法制備的前驅(qū)體霧滴球形度較高、粒度分布均勻，經(jīng)過高溫反應(yīng)后會得到類球形的磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰球形化有利于增加材料的比表面積，提高材料的體積比能量。
4.水熱法
水熱法屬于液相合成法，是指在密封的壓力容器中以水為溶劑，通過原料在高溫高壓的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過濾洗滌、烘干后得到納米前驅(qū)體，最后經(jīng)高溫煅燒后即可得到磷酸鐵鋰。水熱法制備磷酸鐵鋰具有容易控制晶型和粒徑，物相均一，粉體粒徑小，過程簡單等優(yōu)點，但需要高溫高壓設(shè)備，成本高，工藝比較復(fù)雜。
除上述方法外還有共沉淀法、溶膠-凝膠法、氧化-還原法、乳化干燥法、微波燒結(jié)法等多種方法。
盡管磷酸鐵鋰的制備方法較多，但是除高溫固相反應(yīng)法得以工業(yè)化應(yīng)用以外，大都處于實驗室研究階段。隨著對磷酸鐵鋰制備及改性等技術(shù)研究的不斷深入，磷酸鐵鋰作正極材料的產(chǎn)業(yè)化速度也會不斷加快。欲了解最新的鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，請報名參加10月16-17日召開的2017能源顆粒材料制備及測試技術(shù)研討會!屆時中南大學(xué)胡國榮教授將與您分享《鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展》的報告。
中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院輕金屬及工業(yè)電化學(xué)研究所所長，先進(jìn)電池材料教育部工程研究中心副主任，中國化學(xué)與物理電源協(xié)會理事，中國鋰電池協(xié)會理事，國際電源商情編委，鋰電池通訊編委。
