磷酸铁锂低成本化合成工艺及性能研究

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磷酸铁锂(LiFePO4)电池因其具有安全和长寿命等特点,已在电动大巴、储能等领域实现广泛应用。然而,市场对LiFePO4/C正极材料仍存在降低成本并提高性能的要求。目前LiFePO4/C的制备方法主要是以磷酸铁(FePO4)为前驱体的碳热还原法。前驱体的成本和性能对最终产物的成本和性能起关键性作用。因此,本文从三个方面开展了工作:首先,研究二水磷酸铁(FePO4·2H2O)脱水过程以求得到最经济的操作温度和最佳的性能参数;其次,研究以工业绿矾代替分析纯硫酸亚铁以降低原料成本和提高性能;最后,研究合成LiFePO4/C过程中掺杂高含量二氧化钛(TiO2)对LiFePO4/C性能的影响。采用化学分析、XRD、SEM、TG-DTA和充放电测试对前驱体FePO4·2H2O、FePO4和目标产物LiFePO4/C的元素含量、晶体结构、颗粒形貌、热行为和电化学性能等进行表征。(1)在FePO4·2H2O的脱水过程,样品的晶体结构、颗粒大小、表面状态依脱水温度不同而变化很大。TG-DTA曲线显示FePO4·2H2O可在202.4°C完成脱水,在202.4671.8°C之间既无失重也无热行为,但是XRD分析显示,脱水前FePO4·2H2O的晶体结构为单斜晶系、空间群为P21/n;250450°C脱水所得样品的晶体结构为六方晶系、空间群为P63mc,结晶度不高;550650°C脱水所得样品的晶体结构为六方晶系、空间群为P3121,结晶度较高;700°C脱水后的样品仍为六方晶系,但出现部分玻璃相。随脱水温度提高,FePO4的颗粒粒径和压实密度逐渐变大。以550°C脱水所得的FePO4制备的LiFePO4/C表现出最优的性能:常温0.2 C放电比容量为157.4mAh·g-1;低温-20°C、0.2 C放电比容量为116.5 mAh·g-1;压实密度为2.45 g·cm-3。(2)工业绿矾经净化后可替代分析纯硫酸亚铁。利用Fe粉和Na3PO4作为净化剂,可得钛元素含量(wt.,vs.FeSO4)小于10 ppm的溶液。利用该净化液合成的LiFePO4/C常温0.2 C的放电比容量为162.5 mAh·g-1,而市售分析纯硫酸亚铁(Ti 49.1 ppm)制备的LiFePO4/C只有157.4 mAh·g-1。如将净化液代替分析纯硫酸亚铁用于生产,铁源成本将降低78.3%。(3)8mol%的TiO2混合于FePO4中合成LiFePO4/C,所得LiFePO4/C的颗粒粒径变小,常温比容量及倍率性能提高,但低温性能变差。
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