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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
動(dòng)力電池電極材料磷酸鐵鋰的制備及性能的初步研究
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
進(jìn)年來(lái)由于電子信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，迫切需求新型綠色電池取代含汞等重金屬的電池，鋰離子電池是21世紀(jì)理想的綠色環(huán)保化學(xué)電源。磷酸鐵鋰是用來(lái)制作動(dòng)力電池的電極材料。 根據(jù)現(xiàn)有工藝，我們加以創(chuàng)新，方法上采用全新的半液相半固相法，材料上采用納米級(jí)氧化鐵為鐵源，氫氧化鋰和磷酸分別提供Li+和PO43-離子，分別以面粉和草酸做還原劑，將Fe3+還原成Fe2+，幾種物質(zhì)在高溫下多次反應(yīng)生成LiFeP04。
詳細(xì)介紹：
進(jìn)年來(lái)，由于電子信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，迫切需求新型綠色電池取代含汞等重金屬的電池，也迫切需求新型高性能電池作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力，以消除汽油車(chē)所造成的嚴(yán)重大氣污染，無(wú)汞堿性鋅錳電池、金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池、燃料電池等是21世紀(jì)理想的綠色環(huán)保化學(xué)電源。 磷酸鐵鋰振實(shí)密度較低。一般只能達(dá)到0.8-1.3，低的振實(shí)密度可以說(shuō)是磷酸鐵鋰的很大缺點(diǎn)。所以磷酸鐵鋰正極材料決定了它在小型電池如手機(jī)電池等沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，所以其使用范圍受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，穩(wěn)定性好，循環(huán)次數(shù)高，但如果體積太大，也只能小量的取代鈷酸鋰。但這一缺點(diǎn)在動(dòng)力電池方面不會(huì)突出。因此，磷酸鐵鋰主要是用來(lái)制作動(dòng)力電池。 根據(jù)現(xiàn)有工藝，我們加以創(chuàng)新，方法上采用全新的半液相半固相法，材料上采用納米級(jí)氧化鐵為鐵源，氫氧化鋰和磷酸分別提供Li+和PO43-離子，分別以面粉和草酸做還原劑，將Fe3+還原成Fe2+，幾種物質(zhì)在高溫下多次反應(yīng)生成LiFeP04。 此方法最大優(yōu)點(diǎn)是避開(kāi)了其它合成方法中使用磷酸二氫銨為原料，產(chǎn)生大量氨氣污染環(huán)境的問(wèn)題，而且選用面粉、草酸為還原劑，原料易獲得，同時(shí)也降低了成本，同時(shí)采用半液相半固相的合成方法，使反應(yīng)物可以充分混合，不必使用通常固相法中球磨機(jī)步驟。

作品圖片

  • 動(dòng)力電池電極材料磷酸鐵鋰的制備及性能的初步研究
  • 動(dòng)力電池電極材料磷酸鐵鋰的制備及性能的初步研究

作品專(zhuān)業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的：當(dāng)今社會(huì)，鋰電池得到了廣泛應(yīng)用，但是普遍存在造價(jià)高，回收難，污染重等亟待解決的難題，本作品基于以上考慮，開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、高能、安全性好，對(duì)環(huán)境污染小的電池正極材料磷酸鐵鋰。 基本思路是采用半液相半固相法，將還原劑與三價(jià)鐵源化合物、鋰源、磷酸混合，加入蒸餾水，加熱將水分蒸干，在還原性氛圍中高溫加熱固體混合物，最終得到磷酸亞鐵鋰。 創(chuàng)新點(diǎn)有：方法上，半液相半固相法，此方法省去球磨機(jī)球磨步驟；制備上，鐵源選用納米級(jí)氧化鐵，顆粒細(xì)小，使得最終所得磷酸鐵鋰顆粒細(xì)小均勻；還原劑采用面粉，經(jīng)濟(jì)易得。 技術(shù)關(guān)鍵是讓反應(yīng)物混合充分，還原時(shí)將三家鐵完全還原成二價(jià)鐵。 主要技術(shù)指標(biāo)有：樣品IR曲線(xiàn)分析，樣品XRD曲線(xiàn)分析，電池充放電曲線(xiàn)分析，電池循環(huán)伏安曲線(xiàn)分析，電池阻抗分析。

科學(xué)性、先進(jìn)性

本作品磷酸鐵鋰制備材料來(lái)源廣泛，經(jīng)濟(jì)、高能、安全性好，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。方法上，半液相半固相法，此方法省去以往固相合成法中常用的球磨機(jī)球磨步驟；制備上，鐵源選用納米級(jí)氧化鐵，顆粒細(xì)小，使得最終所得磷酸鐵鋰顆粒比一般方法所制得的樣品顆粒更細(xì)小均勻；還原劑采用面粉，遠(yuǎn)比其他方法的還原劑經(jīng)濟(jì)易得，最終產(chǎn)物電池容量穩(wěn)定，可逆性良好，但應(yīng)用在電池中的循環(huán)充放電特性還有待進(jìn)一步提高。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

在2010年石家莊市河北師范大學(xué)舉辦的科技創(chuàng)新競(jìng)賽中榮獲一等獎(jiǎng)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

圖片照片

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

使用說(shuō)明：將制作出的磷酸鐵鋰材料組裝成紐扣電池或大型蓄電池. 磷酸鐵鋰(LiFePO4)以其無(wú)毒、對(duì)環(huán)境友好、原材料來(lái)源廣泛、比容量高、循環(huán)性能及安全性能好等顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是動(dòng)力電池最有發(fā)展前途的正極材料，市場(chǎng)上可以用在各種電池中，比如電動(dòng)車(chē)中，手機(jī)中，汽車(chē)中，尤其是電動(dòng)車(chē)中，對(duì)循環(huán)性能要求很高。目前，電池需求量迅猛增長(zhǎng)，市場(chǎng)上電池材料大多是鈷酸鋰，但是其成本很高，而且應(yīng)用到動(dòng)力電池中有一定難度。如能改進(jìn)磷酸鐵鋰的振實(shí)密度，克服批次生產(chǎn)性能有所不同的缺點(diǎn)，磷酸鐵鋰就能大批量生產(chǎn)，在動(dòng)力電池方面發(fā)揮不可替代的作用，本作品尚處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)生產(chǎn)階段，距離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有許多難題需要克服，這也是日后我們努力的方向，技術(shù)一旦成熟，進(jìn)行投產(chǎn)，由于其成本低廉，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著。

同類(lèi)課題研究水平概述

目前制備LiFePO4的方法主要有以下幾種：（1）高溫固相法。 即以FeC2O4?2H2O,(NH4)2HPO4,Li2CO3等為原料,按LiFePO4的化學(xué)組成配料研磨混合均勻,在惰性氣氛的保護(hù)下高溫焙燒反應(yīng)制得。如Padhi等以L(fǎng)iCO3,Fe(CH3COO)2,NH4H2PO4為原料,采用二步法合成了LiFePO4正極材料,并檢測(cè)其首次放電容量達(dá)到110mAh?g-1。高溫固相反應(yīng)法存在合成溫度高、顆粒粗大等缺點(diǎn),極大地限制了LiFePO4的電化學(xué)性能。(2) 溶膠-凝膠合成法。 溶膠-凝膠法是以三價(jià)鐵的醋酸鹽或硝酸鹽為原料,按化學(xué)計(jì)量加入LiOH后加入檸檬酸,然后再將其加入到H3PO4中,用氨水調(diào)節(jié)到合適pH值, 加熱至60℃得到凝膠, 高溫?zé)Y(jié)得到LiFePO4。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是前驅(qū)體溶液化學(xué)均勻性好,凝膠熱處理溫度低,粉體顆粒粒徑小而且分布窄,粉體燒結(jié)性能好,反應(yīng)過(guò)程易于控制,但是其工藝干燥時(shí)收縮大,工業(yè)化生產(chǎn)難度較大,合成周期較長(zhǎng)。（3）微波合成法。微波合成法是在可控功率的微波爐中,利用活性炭作為吸波介質(zhì)合成LiFePO4。王小建等以L(fǎng)iOH?H2O, (NH4)2HPO4?H2O, FeC2O4?2H2O為原料,采用家用微波爐合成了LiFePO4正極材料。結(jié)果表明,微波加熱9 min時(shí)制得的樣品晶粒比較小而且電化學(xué)性能最好。微波合成法雖然具有反應(yīng)速度快、受熱均勻等優(yōu)點(diǎn),但大規(guī)模生產(chǎn)有一定困難。（4）水熱合成法。水熱合成法是以可溶性亞鐵鹽、鋰鹽和磷酸為原料在水熱條件下直接合成LiFePO4的一種方法。Prosini等以可溶性的二價(jià)鐵鹽、LiOH和H3PO4為原料,在120℃下,采用水熱法合成出平均粒徑為3μm的LiFePO4，其放電容量為100 mAh?g-1。水熱合成法可以直接得到LiFePO4,產(chǎn)物的晶型和粒徑易于控制,但是水熱合成法需要耐高溫高壓設(shè)備,工業(yè)化生產(chǎn)投資費(fèi)用高。 文獻(xiàn)調(diào)研顯示，從納米級(jí)Fe2O3出發(fā)，將LiH2PO4和氧化鐵按物質(zhì)的量的一定比例混合，并摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳，然后采用機(jī)械活化的方法，將其置于球磨機(jī)中研磨，之后再將其放入干燥箱中烘干，再將所得樣品放入坩堝中在氬氣氣氛保護(hù)下，得到產(chǎn)物L(fēng)iFePO4。Devos將Fe2O3和碳粉混合作成電極，認(rèn)為氧化鐵具有良好的鋰容量。同時(shí)已有將氧化鐵可做成電極，組成固體電池的報(bào)道。
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