基本信息
- 项目名称：
- 一种合成锂离子电池正极材料LiFePO4的新方法
- 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B类
- 简介：
- 以钢铁厂副产物三氧化二铁作为主要原材料，利用铁粉作为还原剂，将钢铁厂的副产物三氧化二铁合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂。本方法合成过程中产生的副产物为水，对环境无污染，且合理利用社会资源，工艺简单，符合科学发展观的要求。
- 详细介绍：
- 作品设计：以钢铁厂副产物三氧化二铁作为主要原材料，利用铁粉作为还原剂，将钢铁厂的副产物三氧化二铁合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂。本方法合成过程中产生的副产物为水，对环境无污染，且合理利用社会资源，工艺简单，符合科学发展观的要求。 发明的目的和基本思路：本作品主要以三氧化二铁和铁粉为铁源，采用铁粉作为还原剂，对三氧化二铁进行还原合成磷酸铁锂，并对其进行碳包覆和掺杂改性来提高其性能。 创新点:采用钢铁厂副产物三氧化二铁为铁源是因为其产量大、成本低廉，可以合理利用社会资源。与现有的碳热还原法相比有还原物质化学计量比可控的优点。 关键技术和主要技术指标：本作品根据磷酸铁锂材料本身的不足，结合改性机理选取了不同类型的改性方式进行了实验研究。在碳包覆改性研究中，不同碳源包覆改性磷酸铁锂的电化学性能不同，与未包覆相比，碳包覆后的LiFePO4/C的表面结构发生改变，改善了锂离子嵌入-迁出的界面环境，进而提高了材料的导电性，使得电化学性能提高，其中以抗坏血酸的包覆效果为佳。因为抗坏血酸既是碳源又是还原剂，不仅使得产物颗粒细小均匀，而且避免了前躯体合成中Fe(II)组分的氧化，从而提高了磷酸铁锂的电导率，因此提高了磷酸铁锂的性能。 在离子掺杂的研究中，以Mg2+和Mo6+作为掺杂源，通过反应合成LiFe0.96M0.04PO4/C (M= Mg2+，Mo6+)，我们研究了Fe位掺杂的磷酸铁锂样品的电化学性能。结果表明，掺杂后样品的比容量较未掺杂样品有明显的提高。
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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
- 作品设计：以钢铁厂副产物三氧化二铁为主要原材料，利用铁粉作为还原剂，将钢铁厂的副产物三氧化二铁合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂。本方法合成过程中产生的副产物为水，对环境无污染，且合理利用社会资源，工艺简单，符合科学发展观的要求。 发明的目的和基本思路：本作品主要以三氧化二铁和铁粉为铁源，采用铁粉作为还原剂，对三氧化二铁进行还原合成磷酸铁锂，并对其进行碳包覆和掺杂改性来提高其性能。 创新点:采用钢铁厂副产物三氧化二铁为铁源是因为其产量大、成本低廉，可以合理利用社会资源。与现有的碳热还原法相比有还原物质化学计量比可控的优点。 关键技术和主要技术指标：本作品根据磷酸铁锂材料本身的不足，结合改性机理选取了不同类型的改性方式进行了实验研究。在碳包覆改性研究中，不同碳源包覆改性磷酸铁锂的电化学性能不同，与未包覆相比，碳包覆后的LiFePO4/C的表面结构发生改变，改善了锂离子嵌入-迁出的界面环境，进而提高了材料的导电性，使得电化学性能提高，其中以抗坏血酸的包覆效果为佳。因为抗坏血酸既是碳源又是还原剂，不仅使得产物颗粒细小均匀，而且避免了前躯体合成中Fe(II)组分的氧化，从而提高了磷酸铁锂的电导率，因此提高了磷酸铁锂的性能。 在离子掺杂的研究中，以Mg2+和Mo6+作为掺杂源，通过反应合成LiFe0.96M0.04PO4/C (M= Mg2+，Mo6+)，我们研究了Fe位掺杂的磷酸铁锂样品的电化学性能。结果表明，掺杂后样品的比容量较未掺杂样品有明显的提高。
科学性、先进性
- 本作品提出一种合成磷酸铁锂的新方法，与目前常用的合成方法相比具有明显的技术优势。 首先，与传统的碳热还原法相比，该方法采用铁粉作为还原剂，可以控制反应过程中的化学计量比，避免碳热法中生成单质铁的不足。在前驱体合成阶段做了充分的分散和反应，使磷酸铁锂热处理阶段能够更充分的结晶。并且该反应体系可以缩短热处理时间，降低热处理温度，有利于降低能耗； 其次，该反应体系通过一步法合成，过程中不需要其他洗涤，过滤等步骤，副产物为水，不会产生废水、废气，符合环境保护的理念； 第三，该材料是目前电动汽车与储能电池的正极材料，采用本方法可以获得性能良好的材料，将推动电动汽车的发展，进而进一步推动节能减排的发展； 第四，该作品中采用的主要原料三氧化二铁是钢铁厂的副产物，合理地利用了社会有效资源，节约了生产成本，有利于资源的二次利用和锂离子电池材料的工业化生产。 总之，本方法在技术上有较强的创新性，可以提高磷酸铁锂产品生产的经济效益和社会效益。
获奖情况及鉴定结果
- 无
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
- 实物、产品
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
- 本作品是在已有的LiFePO4制备方法上加以改进的，针对原来利用废料Fe2O3采用碳热法还原这一方法中的不足，引入铁粉还原来加以改进，避免碳热法中生成单质铁的不足，提高材料的性能。目前碳热还原法制备LiFePO4的工艺已相对成熟，并已应用于工业生产。因此，本方法在原基础上改进后，随即可以应用于工业生产，并改善材料的性能，提高生产的经济效益和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 以Fe2O3为原料合成磷酸铁锂，目前的研究和生产多采用固相法合成。碳热还原法是固相合成LiFePO4主要的合成方法。除此之外，还有溶胶-凝胶法、微波法等液相合成方法，这些方法各有优缺点。 王志高，采用微波法以Fe2O3为原料制备了LiFePO4和LiFePO4/C材料。分析了不同的微波烧结时间与材料结构和性能的关系。材料经微波烧结3min，XRD图谱中出现了Fe2O3杂质，时间更长时则不出现Fe2O3杂质。充放电测试结果表明：烧结8min的LiFePO4/C材料0.1 C的首次放电比容量达140.0 mAh/g，但高倍率放电比容量衰减严重，烧结5min的材料在1.0C放电倍率下，比容量仅为了95.0 mAh/g。微波法的缺点是在工业化生产中受限制，由于其反应快，在生产中要严格控制反应时间与反应温度，不易进行大规模生产。 刘会平等通过碳热还原法制备了磷酸铁锂正极材料，0.1C倍率下的放电比容量可达159.3mAh/g。碳热还原法是在高温下，利用碳的强还原能力将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)。常采用价格低廉的Fe2O3或FePO4为铁源。碳热还原法在还原过程中无法控制反应过程中碳的含量，进而碳与其还原的Fe(Ⅲ)的化学计量比不可控，不可控的化学计量比使得材料在合成过程中容易造成反应不均匀，易产生单质Fe，进而影响材料的电化学性能。 在我们的作品中以Fe作为还原剂，反应在常温下进行球磨，在高温管式炉700℃进行热处理。我们的创新点在于采用Fe作为还原剂，可以控制反应过程中的化学计量比，避免了碳热还原法的不足；另外，我们采用一步法合成，反应过程无需洗涤、过滤等过程，减少了产品的损失与污染；我们的合成产物仅为磷酸铁锂和水，不产生任何有毒有害的物质，符合环境保护的理念；我们采用钢铁厂副产物为原料，合理利用了社会资源；而我们采用的固相法合成在常温下完成球磨过程，工艺流程简单易操作，有利于工业化大规模生产锂离子电池正极材料。 我们经过大量的实验证明，可以采用Fe作为还原剂，以Fe2O3为原料，固相法合成磷酸铁锂，并且通过碳包覆和掺杂改性的方法提高了纯磷酸铁锂的比容量和性能。但是该方法是一种全新的方法，材料的比容量相对较低，有待继续研究。
