锂电正极材料磷酸铁锂的制备方法简述

磷酸铁锂在自然界中以磷铁锂矿的形式存在，具有有序的橄榄石结构。磷酸锂铁化学分子式为：LiMPO4，其中锂为正一价；中心金属铁为正二价；磷酸根为负三价，常用作锂离子电池正极材料。磷酸铁锂离子电池的使用范畴有：储能设备、电动工具类、轻型电动车辆、大型电动车辆、小型设备和移动电源，其中新能源电动车用磷酸铁锂约占磷酸铁锂总量的45%。

　　二、磷酸铁锂作锂电正极材料

　　与其他锂离子电池正极材料相比，橄榄石结构的磷酸铁锂更具有安全、环保、廉价、循环寿命长、高温性能好等优势，是最具潜力的锂电池正极材料之一。

　　安全性能高

　　磷酸铁锂晶体中有稳固的P-O键，难以分析，在过充和高温时不会结构崩塌发热或生成强氧化物，过充安全性较高。

　　循环寿命长

　　铅酸蓄电池的循环寿命在300次左右，使用寿命在1~1.5年之间。而磷酸铁锂离子电池循环次数可达2000以上，理论上使用寿命能达7~8年。

　　高温性能好

　　磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃，而锰酸锂和钴酸锂惟有200℃左右。

　　环保

　　磷酸铁锂离子电池一般被认为不含重金属和稀有金属，无毒，无污染，是绝对的绿色环保电池。

　　磷酸铁锂作为正极材料的充放电作用机理不同于其他传统材料，其充放电参与电化学反映的是磷酸铁锂的磷酸铁两相，充放电反应如下：

　　充电反应：

　　放电反应：

　　充电时，Li+从LiFePO4中脱离出来，Fe2+失去一个电子变成Fe3+；放电时，Li+嵌入磷酸铁中变成LiFePO4。Li+的变化发生在LiFePO4/FePO4界面，因此其充放电曲线非常平坦，电位也较稳定，适合做电极材料。

　　三、磷酸铁锂的制备

　　制备磷酸铁锂的原料丰富。部分常见锂源、铁源、碳源、磷源如下：

　　磷酸铁锂粉体的制备在一定程度上会影响其作为正极材料的性能。目前制备磷酸铁锂的办法很多，如高温固相反应法、碳热还原法以及尚未规模化的水热法、喷雾热解法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等。

　　1.高温固相反应法

　　高温固相反应法是制备磷酸铁锂是目前发展最为成熟也是使用最广泛的办法。将铁源、锂源、磷源按化学计量比平均混合干燥后，在惰性气氛下，首先在较低温度（300~350℃）下烧结5~10h，使原材料初步分析，然后再在高温（600~800℃）下烧结10~20h得到橄榄石型磷酸铁锂。

　　高温固相法合成磷酸铁锂工艺简单，制备条件容易控制，缺点是晶体尺寸较大，粒径不易控制、分布不平均，形貌也不规矩，产品倍率特性差。

　　2.碳热还原法

　　碳热还原法是在原材料混合中加入碳源（淀粉、蔗糖等）做还原剂，通常和高温固相法一起使用，碳源在高温煅烧中可以将Fe3+还原为Fe2+，避免了反应过程中Fe2+变成Fe3+，使合成过程更加合理，但是反应时间相对较长，对条件的控制更为严苛。

　　3.喷雾热解法

　　喷雾热解法是一种得到平均粒径和规矩形状的磷酸铁锂粉体的有效手段。前驱体随载气喷入450~650℃的反应器中，高温反应后得到磷酸铁锂。喷雾热解法制备的前驱体雾滴球形度较高、粒度分布平均，经过高温反应后会得到类球形的磷酸铁锂。磷酸铁锂球形化有利于增加材料的比表面积，提高材料的体积比能量。

　　4.水热法

　　水热法属于液相合成法，是指在密封的压力容器中以水为溶剂，通过原料在高温高压的条件下进行化学反应，经过滤洗涤、烘干后得到纳米前驱体，最后经高温煅烧后即可得到磷酸铁锂。水热法制备磷酸铁锂具有容易控制晶型和粒径，物相均一，粉体粒径小，过程简单等优势，但需要高温高压设备，成本高，工艺比较复杂。

　　除上述办法外还有共沉淀法、溶胶-凝胶法、氧化-还原法、乳化干燥法、微波烧结法等多种办法。

　　四、总结

　　尽管磷酸铁锂的制备办法较多，但是除高温固相反应法得以工业化使用以外，大都处于试验室研究阶段。随着对磷酸铁锂制备及改性等技术研究的不断深入，磷酸铁锂作正极材料的产业化速度也会不断加快。欲知道最新的锂电池正极材料磷酸铁锂的产业化进展，请报名参加10月16-17日召开的2017能源颗粒材料制备及探测技术研讨会！届时中南大学胡国荣教授将与您分享《锂电池正极材料磷酸铁锂的产业化进展》的报告。

　　中南大学冶金与环境学院轻金属及工业电化学研究所所长，先进电池材料教育部工程研究中心副主任，中国化学与物理电源协会理事，中国锂离子电池协会理事，国际电源商情编委，锂离子电池通讯编委。

　　主要从事电化学理论与使用、能源材料等方面的研究，在锂电池正极材料的研发和产业化工作发明取得了突出成果。曾主持和参加国家及省部级科研项目20余项,包括国家发改委重大产业化专项一项，国家科技部“863”项目一项，负责国家科技支撑计划项目一项，国家级火炬计划项目一项以及湖南省重点科技项目多项。在锂电池正极材料的产业化方面取得了突出成果，成功实现钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂的产业化。

　　关于2017能源颗粒材料制备及探测技术研讨会

　　本次会议旨在为国内外相关学者、产业界人士在能源颗粒材料使用方面的研究提供沟通平台，强化行业信息交流，为锂离子电池、电容器、燃料电池、电动车电池技术冲破做出贡献。

　　主办单位：中国颗粒学会能源颗粒材料专委会、中国粉体网

　　协办单位：纽伦堡会展（上海）有限公司

　　赞助单位：细川密克朗(上海）粉体机械有限公司、丹东百特仪器有限公司、江苏密友粉体新装备制造有限公司

　　支持单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院过程工程研究所、清华大学、中国科学院物理研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国电池工业协会、中国超级电容产业联盟、东莞市亿富机械科技有限公司、石家庄日加粉体设备科技有限公司、江苏高准智能装备有限公司、临朐县追日机电设备有限公司、广州中卓智能装备有限公司、深圳市博亿化工机械有限公司、马尔文仪器有限公司、新乡市豪迈机械设备有限公司、江苏前锦炉业设备有限公司

　　会议亮点

　　亮点一：能源颗粒材料政策性解读；

　　亮点二：站在颗粒制备的角度，审视锂离子电池、钠电池、超级电容器、燃料电池等核心能源材料的优劣；

　　亮点三：探讨新型能源颗粒（如石墨烯、碳纳米管、三元锂电正极、钠离子电池电极、金属锂）技术及其在能源存储与转化行业中的使用；

　　亮点四：能源颗粒材料范畴及产业领军人物的最新技术成果交流；

　　亮点五：展览和会议结合，锂电材料、超级电容器制造装备、测试技术及使用一站式展示。

　　亮点六：项目对接。国内多家锂离子电池，锂电材料加工企业，新建项目负责人现场进行原材料，设备，仪器的采购咨询。

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