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基本信息

項(xiàng)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
簡(jiǎn)介：
以鋼鐵廠副產(chǎn)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(chǎn)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(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物為水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且合理利用社會(huì)資源，工藝簡(jiǎn)單，符合科學(xué)發(fā)展觀的要求。
詳細(xì)介紹：
作品設(shè)計(jì)：以鋼鐵廠副產(chǎn)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(chǎn)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(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物為水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且合理利用社會(huì)資源，工藝簡(jiǎn)單，符合科學(xué)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(duì)三氧化二鐵進(jìn)行還原合成磷酸鐵鋰，并對(duì)其進(jìn)行碳包覆和摻雜改性來(lái)提高其性能。 創(chuàng)新點(diǎn):采用鋼鐵廠副產(chǎn)物三氧化二鐵為鐵源是因?yàn)槠洚a(chǎn)量大、成本低廉，可以合理利用社會(huì)資源。與現(xiàn)有的碳熱還原法相比有還原物質(zhì)化學(xué)計(jì)量比可控的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵技術(shù)和主要技術(shù)指標(biāo)：本作品根據(jù)磷酸鐵鋰材料本身的不足，結(jié)合改性機(jī)理選取了不同類型的改性方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xué)性能不同，與未包覆相比，碳包覆后的LiFePO4/C的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改善了鋰離子嵌入-遷出的界面環(huán)境，進(jìn)而提高了材料的導(dǎo)電性，使得電化學(xué)性能提高，其中以抗壞血酸的包覆效果為佳。因?yàn)榭箟难峒仁翘荚从质沁€原劑，不僅使得產(chǎn)物顆粒細(xì)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(dǎo)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(guò)反應(yīng)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(xué)性能。結(jié)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

  • 一種合成鋰離子電池正極材料LiFePO4的新方法
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作品專業(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)

作品設(shè)計(jì)：以鋼鐵廠副產(chǎn)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(chǎn)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(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物為水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且合理利用社會(huì)資源，工藝簡(jiǎn)單，符合科學(xué)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(duì)三氧化二鐵進(jìn)行還原合成磷酸鐵鋰，并對(duì)其進(jìn)行碳包覆和摻雜改性來(lái)提高其性能。 創(chuàng)新點(diǎn):采用鋼鐵廠副產(chǎn)物三氧化二鐵為鐵源是因?yàn)槠洚a(chǎn)量大、成本低廉，可以合理利用社會(huì)資源。與現(xiàn)有的碳熱還原法相比有還原物質(zhì)化學(xué)計(jì)量比可控的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵技術(shù)和主要技術(shù)指標(biāo)：本作品根據(jù)磷酸鐵鋰材料本身的不足，結(jié)合改性機(jī)理選取了不同類型的改性方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xué)性能不同，與未包覆相比，碳包覆后的LiFePO4/C的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改善了鋰離子嵌入-遷出的界面環(huán)境，進(jìn)而提高了材料的導(dǎo)電性，使得電化學(xué)性能提高，其中以抗壞血酸的包覆效果為佳。因?yàn)榭箟难峒仁翘荚从质沁€原劑，不僅使得產(chǎn)物顆粒細(xì)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(dǎo)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(guò)反應(yīng)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(xué)性能。結(jié)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(xué)性、先進(jìn)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(shù)優(yōu)勢(shì)。 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(yīng)過(guò)程中的化學(xué)計(jì)量比，避免碳熱法中生成單質(zhì)鐵的不足。在前驅(qū)體合成階段做了充分的分散和反應(yīng)，使磷酸鐵鋰熱處理階段能夠更充分的結(jié)晶。并且該反應(yīng)體系可以縮短熱處理時(shí)間，降低熱處理溫度，有利于降低能耗； 其次，該反應(yīng)體系通過(guò)一步法合成，過(guò)程中不需要其他洗滌，過(guò)濾等步驟，副產(chǎn)物為水，不會(huì)產(chǎn)生廢水、廢氣，符合環(huán)境保護(hù)的理念； 第三，該材料是目前電動(dòng)汽車與儲(chǔ)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(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展，進(jìn)而進(jìn)一步推動(dòng)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(chǎn)物，合理地利用了社會(huì)有效資源，節(jié)約了生產(chǎn)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(chǎn)。 總之，本方法在技術(shù)上有較強(qiáng)的創(chuàng)新性，可以提高磷酸鐵鋰產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無(wú)

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

實(shí)物、產(chǎn)品

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)

本作品是在已有的LiFePO4制備方法上加以改進(jìn)的，針對(duì)原來(lái)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(lái)加以改進(jìn)，避免碳熱法中生成單質(zhì)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(duì)成熟，并已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。因此，本方法在原基礎(chǔ)上改進(jìn)后，隨即可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，并改善材料的性能，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(chǎn)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(diǎn)。 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(jié)時(shí)間與材料結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。材料經(jīng)微波燒結(jié)3min，XRD圖譜中出現(xiàn)了Fe2O3雜質(zhì)，時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)則不出現(xiàn)Fe2O3雜質(zhì)。充放電測(cè)試結(jié)果表明：燒結(jié)8min的LiFePO4/C材料0.1 C的首次放電比容量達(dá)140.0 mAh/g，但高倍率放電比容量衰減嚴(yán)重，燒結(jié)5min的材料在1.0C放電倍率下，比容量?jī)H為了95.0 mAh/g。微波法的缺點(diǎn)是在工業(yè)化生產(chǎn)中受限制，由于其反應(yīng)快，在生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)溫度，不易進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。 劉會(huì)平等通過(guò)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(dá)159.3mAh/g。碳熱還原法是在高溫下，利用碳的強(qiáng)還原能力將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)。常采用價(jià)格低廉的Fe2O3或FePO4為鐵源。碳熱還原法在還原過(guò)程中無(wú)法控制反應(yīng)過(guò)程中碳的含量，進(jìn)而碳與其還原的Fe(Ⅲ)的化學(xué)計(jì)量比不可控，不可控的化學(xué)計(jì)量比使得材料在合成過(guò)程中容易造成反應(yīng)不均勻，易產(chǎn)生單質(zhì)Fe，進(jìn)而影響材料的電化學(xué)性能。 在我們的作品中以Fe作為還原劑，反應(yīng)在常溫下進(jìn)行球磨，在高溫管式爐700℃進(jìn)行熱處理。我們的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用Fe作為還原劑，可以控制反應(yīng)過(guò)程中的化學(xué)計(jì)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(yīng)過(guò)程無(wú)需洗滌、過(guò)濾等過(guò)程，減少了產(chǎn)品的損失與污染；我們的合成產(chǎn)物僅為磷酸鐵鋰和水，不產(chǎn)生任何有毒有害的物質(zhì)，符合環(huán)境保護(hù)的理念；我們采用鋼鐵廠副產(chǎn)物為原料，合理利用了社會(huì)資源；而我們采用的固相法合成在常溫下完成球磨過(guò)程，工藝流程簡(jiǎn)單易操作，有利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)鋰離子電池正極材料。 我們經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)較低，有待繼續(xù)研究。
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