基本信息
- 项目名称：
- 动力电池电极材料磷酸铁锂的制备及性能的初步研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 进年来由于电子信息技术的突飞猛进，迫切需求新型绿色电池取代含汞等重金属的电池，锂离子电池是21世纪理想的绿色环保化学电源。磷酸铁锂是用来制作动力电池的电极材料。 根据现有工艺，我们加以创新，方法上采用全新的半液相半固相法，材料上采用纳米级氧化铁为铁源，氢氧化锂和磷酸分别提供Li+和PO43-离子，分别以面粉和草酸做还原剂，将Fe3+还原成Fe2+，几种物质在高温下多次反应生成LiFeP04。
- 详细介绍：
- 进年来，由于电子信息技术的突飞猛进，迫切需求新型绿色电池取代含汞等重金属的电池，也迫切需求新型高性能电池作为电动汽车的动力，以消除汽油车所造成的严重大气污染，无汞碱性锌锰电池、金属氢化物镍电池、锂离子电池、燃料电池等是21世纪理想的绿色环保化学电源。 磷酸铁锂振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的很大缺点。所以磷酸铁锂正极材料决定了它在小型电池如手机电池等没有优势，所以其使用范围受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。 根据现有工艺，我们加以创新，方法上采用全新的半液相半固相法，材料上采用纳米级氧化铁为铁源，氢氧化锂和磷酸分别提供Li+和PO43-离子，分别以面粉和草酸做还原剂，将Fe3+还原成Fe2+，几种物质在高温下多次反应生成LiFeP04。 此方法最大优点是避开了其它合成方法中使用磷酸二氢铵为原料，产生大量氨气污染环境的问题，而且选用面粉、草酸为还原剂，原料易获得，同时也降低了成本，同时采用半液相半固相的合成方法，使反应物可以充分混合，不必使用通常固相法中球磨机步骤。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：当今社会，锂电池得到了广泛应用，但是普遍存在造价高，回收难，污染重等亟待解决的难题，本作品基于以上考虑，开发一种经济、高能、安全性好，对环境污染小的电池正极材料磷酸铁锂。 基本思路是采用半液相半固相法，将还原剂与三价铁源化合物、锂源、磷酸混合，加入蒸馏水，加热将水分蒸干，在还原性氛围中高温加热固体混合物，最终得到磷酸亚铁锂。 创新点有：方法上，半液相半固相法，此方法省去球磨机球磨步骤；制备上，铁源选用纳米级氧化铁，颗粒细小，使得最终所得磷酸铁锂颗粒细小均匀；还原剂采用面粉，经济易得。 技术关键是让反应物混合充分，还原时将三家铁完全还原成二价铁。 主要技术指标有：样品IR曲线分析，样品XRD曲线分析，电池充放电曲线分析，电池循环伏安曲线分析，电池阻抗分析。
科学性、先进性
- 本作品磷酸铁锂制备材料来源广泛，经济、高能、安全性好，对环境无污染。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机球磨步骤；制备上，铁源选用纳米级氧化铁，颗粒细小，使得最终所得磷酸铁锂颗粒比一般方法所制得的样品颗粒更细小均匀；还原剂采用面粉，远比其他方法的还原剂经济易得，最终产物电池容量稳定，可逆性良好，但应用在电池中的循环充放电特性还有待进一步提高。
获奖情况及鉴定结果
- 在2010年石家庄市河北师范大学举办的科技创新竞赛中荣获一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片照片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：将制作出的磷酸铁锂材料组装成纽扣电池或大型蓄电池. 磷酸铁锂(LiFePO4)以其无毒、对环境友好、原材料来源广泛、比容量高、循环性能及安全性能好等显著特点，被认为是动力电池最有发展前途的正极材料，市场上可以用在各种电池中，比如电动车中，手机中，汽车中，尤其是电动车中，对循环性能要求很高。目前，电池需求量迅猛增长，市场上电池材料大多是钴酸锂，但是其成本很高，而且应用到动力电池中有一定难度。如能改进磷酸铁锂的振实密度，克服批次生产性能有所不同的缺点，磷酸铁锂就能大批量生产，在动力电池方面发挥不可替代的作用，本作品尚处于实验室开发生产阶段，距离大规模工业化生产还有许多难题需要克服，这也是日后我们努力的方向，技术一旦成熟，进行投产，由于其成本低廉，经济效益相当显著。
同类课题研究水平概述
- 目前制备LiFePO4的方法主要有以下几种：（1）高温固相法。 即以FeC2O4•2H2O,(NH4)2HPO4,Li2CO3等为原料,按LiFePO4的化学组成配料研磨混合均匀,在惰性气氛的保护下高温焙烧反应制得。如Padhi等以LiCO3,Fe(CH3COO)2,NH4H2PO4为原料,采用二步法合成了LiFePO4正极材料,并检测其首次放电容量达到110mAh•g-1。高温固相反应法存在合成温度高、颗粒粗大等缺点,极大地限制了LiFePO4的电化学性能。(2) 溶胶-凝胶合成法。 溶胶-凝胶法是以三价铁的醋酸盐或硝酸盐为原料,按化学计量加入LiOH后加入柠檬酸,然后再将其加入到H3PO4中,用氨水调节到合适pH值, 加热至60℃得到凝胶, 高温烧结得到LiFePO4。溶胶-凝胶法的优点是前驱体溶液化学均匀性好,凝胶热处理温度低,粉体颗粒粒径小而且分布窄,粉体烧结性能好,反应过程易于控制,但是其工艺干燥时收缩大,工业化生产难度较大,合成周期较长。（3）微波合成法。微波合成法是在可控功率的微波炉中,利用活性炭作为吸波介质合成LiFePO4。王小建等以LiOH•H2O, (NH4)2HPO4•H2O, FeC2O4•2H2O为原料,采用家用微波炉合成了LiFePO4正极材料。结果表明,微波加热9 min时制得的样品晶粒比较小而且电化学性能最好。微波合成法虽然具有反应速度快、受热均匀等优点,但大规模生产有一定困难。（4）水热合成法。水热合成法是以可溶性亚铁盐、锂盐和磷酸为原料在水热条件下直接合成LiFePO4的一种方法。Prosini等以可溶性的二价铁盐、LiOH和H3PO4为原料,在120℃下,采用水热法合成出平均粒径为3μm的LiFePO4，其放电容量为100 mAh•g-1。水热合成法可以直接得到LiFePO4,产物的晶型和粒径易于控制,但是水热合成法需要耐高温高压设备,工业化生产投资费用高。 文献调研显示，从纳米级Fe2O3出发，将LiH2PO4和氧化铁按物质的量的一定比例混合，并掺入不同质量分数的碳，然后采用机械活化的方法，将其置于球磨机中研磨，之后再将其放入干燥箱中烘干，再将所得样品放入坩埚中在氩气气氛保护下，得到产物LiFePO4。Devos将Fe2O3和碳粉混合作成电极，认为氧化铁具有良好的锂容量。同时已有将氧化铁可做成电极，组成固体电池的报道。
