基本信息
- 項目名稱：
- 一種合成鋰離子電池正極材料LiFePO4的新方法
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 以鋼鐵廠副產物三氧化二鐵作為主要原材料，利用鐵粉作為還原劑，將鋼鐵廠的副產物三氧化二鐵合成鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰。本方法合成過程中產生的副產物為水，對環(huán)境無污染，且合理利用社會資源，工藝簡單，符合科學發(fā)展觀的要求。
- 詳細介紹：
- 作品設計：以鋼鐵廠副產物三氧化二鐵作為主要原材料，利用鐵粉作為還原劑，將鋼鐵廠的副產物三氧化二鐵合成鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰。本方法合成過程中產生的副產物為水，對環(huán)境無污染，且合理利用社會資源，工藝簡單，符合科學發(fā)展觀的要求。 發(fā)明的目的和基本思路：本作品主要以三氧化二鐵和鐵粉為鐵源，采用鐵粉作為還原劑，對三氧化二鐵進行還原合成磷酸鐵鋰，并對其進行碳包覆和摻雜改性來提高其性能。 創(chuàng)新點:采用鋼鐵廠副產物三氧化二鐵為鐵源是因為其產量大、成本低廉，可以合理利用社會資源。與現(xiàn)有的碳熱還原法相比有還原物質化學計量比可控的優(yōu)點。 關鍵技術和主要技術指標：本作品根據(jù)磷酸鐵鋰材料本身的不足，結合改性機理選取了不同類型的改性方式進行了實驗研究。在碳包覆改性研究中，不同碳源包覆改性磷酸鐵鋰的電化學性能不同，與未包覆相比，碳包覆后的LiFePO4/C的表面結構發(fā)生改變，改善了鋰離子嵌入-遷出的界面環(huán)境，進而提高了材料的導電性，使得電化學性能提高，其中以抗壞血酸的包覆效果為佳。因為抗壞血酸既是碳源又是還原劑，不僅使得產物顆粒細小均勻，而且避免了前軀體合成中Fe(II)組分的氧化，從而提高了磷酸鐵鋰的電導率，因此提高了磷酸鐵鋰的性能。 在離子摻雜的研究中，以Mg2+和Mo6+作為摻雜源，通過反應合成LiFe0.96M0.04PO4/C (M= Mg2+，Mo6+)，我們研究了Fe位摻雜的磷酸鐵鋰樣品的電化學性能。結果表明，摻雜后樣品的比容量較未摻雜樣品有明顯的提高。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計：以鋼鐵廠副產物三氧化二鐵為主要原材料，利用鐵粉作為還原劑，將鋼鐵廠的副產物三氧化二鐵合成鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰。本方法合成過程中產生的副產物為水，對環(huán)境無污染，且合理利用社會資源，工藝簡單，符合科學發(fā)展觀的要求。 發(fā)明的目的和基本思路：本作品主要以三氧化二鐵和鐵粉為鐵源，采用鐵粉作為還原劑，對三氧化二鐵進行還原合成磷酸鐵鋰，并對其進行碳包覆和摻雜改性來提高其性能。 創(chuàng)新點:采用鋼鐵廠副產物三氧化二鐵為鐵源是因為其產量大、成本低廉，可以合理利用社會資源。與現(xiàn)有的碳熱還原法相比有還原物質化學計量比可控的優(yōu)點。 關鍵技術和主要技術指標：本作品根據(jù)磷酸鐵鋰材料本身的不足，結合改性機理選取了不同類型的改性方式進行了實驗研究。在碳包覆改性研究中，不同碳源包覆改性磷酸鐵鋰的電化學性能不同，與未包覆相比，碳包覆后的LiFePO4/C的表面結構發(fā)生改變，改善了鋰離子嵌入-遷出的界面環(huán)境，進而提高了材料的導電性，使得電化學性能提高，其中以抗壞血酸的包覆效果為佳。因為抗壞血酸既是碳源又是還原劑，不僅使得產物顆粒細小均勻，而且避免了前軀體合成中Fe(II)組分的氧化，從而提高了磷酸鐵鋰的電導率，因此提高了磷酸鐵鋰的性能。 在離子摻雜的研究中，以Mg2+和Mo6+作為摻雜源，通過反應合成LiFe0.96M0.04PO4/C (M= Mg2+，Mo6+)，我們研究了Fe位摻雜的磷酸鐵鋰樣品的電化學性能。結果表明，摻雜后樣品的比容量較未摻雜樣品有明顯的提高。
科學性、先進性
- 本作品提出一種合成磷酸鐵鋰的新方法，與目前常用的合成方法相比具有明顯的技術優(yōu)勢。 首先，與傳統(tǒng)的碳熱還原法相比，該方法采用鐵粉作為還原劑，可以控制反應過程中的化學計量比，避免碳熱法中生成單質鐵的不足。在前驅體合成階段做了充分的分散和反應，使磷酸鐵鋰熱處理階段能夠更充分的結晶。并且該反應體系可以縮短熱處理時間，降低熱處理溫度，有利于降低能耗； 其次，該反應體系通過一步法合成，過程中不需要其他洗滌，過濾等步驟，副產物為水，不會產生廢水、廢氣，符合環(huán)境保護的理念； 第三，該材料是目前電動汽車與儲能電池的正極材料，采用本方法可以獲得性能良好的材料，將推動電動汽車的發(fā)展，進而進一步推動節(jié)能減排的發(fā)展； 第四，該作品中采用的主要原料三氧化二鐵是鋼鐵廠的副產物，合理地利用了社會有效資源，節(jié)約了生產成本，有利于資源的二次利用和鋰離子電池材料的工業(yè)化生產。 總之，本方法在技術上有較強的創(chuàng)新性，可以提高磷酸鐵鋰產品生產的經濟效益和社會效益。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 本作品是在已有的LiFePO4制備方法上加以改進的，針對原來利用廢料Fe2O3采用碳熱法還原這一方法中的不足，引入鐵粉還原來加以改進，避免碳熱法中生成單質鐵的不足，提高材料的性能。目前碳熱還原法制備LiFePO4的工藝已相對成熟，并已應用于工業(yè)生產。因此，本方法在原基礎上改進后，隨即可以應用于工業(yè)生產，并改善材料的性能，提高生產的經濟效益和社會效益。
同類課題研究水平概述
- 以Fe2O3為原料合成磷酸鐵鋰，目前的研究和生產多采用固相法合成。碳熱還原法是固相合成LiFePO4主要的合成方法。除此之外，還有溶膠-凝膠法、微波法等液相合成方法，這些方法各有優(yōu)缺點。 王志高，采用微波法以Fe2O3為原料制備了LiFePO4和LiFePO4/C材料。分析了不同的微波燒結時間與材料結構和性能的關系。材料經微波燒結3min，XRD圖譜中出現(xiàn)了Fe2O3雜質，時間更長時則不出現(xiàn)Fe2O3雜質。充放電測試結果表明：燒結8min的LiFePO4/C材料0.1 C的首次放電比容量達140.0 mAh/g，但高倍率放電比容量衰減嚴重，燒結5min的材料在1.0C放電倍率下，比容量僅為了95.0 mAh/g。微波法的缺點是在工業(yè)化生產中受限制，由于其反應快，在生產中要嚴格控制反應時間與反應溫度，不易進行大規(guī)模生產。 劉會平等通過碳熱還原法制備了磷酸鐵鋰正極材料，0.1C倍率下的放電比容量可達159.3mAh/g。碳熱還原法是在高溫下，利用碳的強還原能力將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)。常采用價格低廉的Fe2O3或FePO4為鐵源。碳熱還原法在還原過程中無法控制反應過程中碳的含量，進而碳與其還原的Fe(Ⅲ)的化學計量比不可控，不可控的化學計量比使得材料在合成過程中容易造成反應不均勻，易產生單質Fe，進而影響材料的電化學性能。 在我們的作品中以Fe作為還原劑，反應在常溫下進行球磨，在高溫管式爐700℃進行熱處理。我們的創(chuàng)新點在于采用Fe作為還原劑，可以控制反應過程中的化學計量比，避免了碳熱還原法的不足；另外，我們采用一步法合成，反應過程無需洗滌、過濾等過程，減少了產品的損失與污染；我們的合成產物僅為磷酸鐵鋰和水，不產生任何有毒有害的物質，符合環(huán)境保護的理念；我們采用鋼鐵廠副產物為原料，合理利用了社會資源；而我們采用的固相法合成在常溫下完成球磨過程，工藝流程簡單易操作，有利于工業(yè)化大規(guī)模生產鋰離子電池正極材料。 我們經過大量的實驗證明，可以采用Fe作為還原劑，以Fe2O3為原料，固相法合成磷酸鐵鋰，并且通過碳包覆和摻雜改性的方法提高了純磷酸鐵鋰的比容量和性能。但是該方法是一種全新的方法，材料的比容量相對較低，有待繼續(xù)研究。
