鋰電正極材料磷酸鐵鋰的制備方法介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-09 14:39
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磷酸鐵鋰在自然界中以磷鐵鋰礦的形式存在，具有有序的橄欖石結構。磷酸鋰鐵化學分子式為：LiMPO4，其中鋰為正一價；中心金屬鐵為正二價；磷酸根為負三價，常用作鋰電池正極材料。磷酸鐵鋰電池的應用領域有：儲能設備、電動工具類、輕型電動車輛、大型電動車輛、小型設備和移動電源，其中新能源電動車用磷酸鐵鋰約占磷酸鐵鋰總量的45%。
二、磷酸鐵鋰作鋰電正極材料
與其他鋰電池正極材料相比，橄欖石結構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構崩塌發(fā)熱或生成強氧化物，過充安全性較高。
循環(huán)壽命長
鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，使用壽命在1~1.5年之間。而磷酸鐵鋰電池循環(huán)次數(shù)可達2000以上，理論上使用壽命能達7~8年。
高溫性能好
磷酸鐵鋰電熱峰值可達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反映的是磷酸鐵鋰的磷酸鐵兩相，充放電反應如下：
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，如高溫固相反應法、碳熱還原法以及尚未規(guī)模化的水熱法、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。
1.高溫固相反應法
高溫固相反應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5~10h，使原材料初步分解，然后再在高溫（600~800℃）下燒結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+ ，避免了反應過程中Fe2+變成Fe3+，使合成過程更加合理，但是反應時間相對較長，對條件的控制更為嚴苛。
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。前驅體隨載氣噴入450~650℃的反應器中，高溫反應后得到磷酸鐵鋰。噴霧熱解法制備的前驅體霧滴球形度較高、粒度分布均勻，經(jīng)過高溫反應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行化學反應，經(jīng)過濾洗滌、烘干后得到納米前驅體，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，但需要高溫高壓設備，成本高，工藝比較復雜。
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法得以工業(yè)化應用以外，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研究的不斷深入，磷酸鐵鋰作正極材料的產業(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業(yè)化進展，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研討會！屆時中南大學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業(yè)化進展》的報告。
