鉅大LARGE | 點擊量：1144次 | 2021年07月21日
高性能納米磷酸鐵鋰的合成研究取得進展，更能滿足鋰離子電池儲能的需求
最近，我國科學院金屬研究所研究員王曉輝課題組與南京特種航天大學教授朱孔軍合作，在深入理解LaMer形核生長機制的基礎上，通過減小形核窗口時間來增大形核速率，采用微波水熱合成法在純水的合成環境中制備出納米LiFePO4。同時利用沉淀劑將濾液中最有價值的LiOH回收再利用，鋰源的有效利用率超過了90%，大幅度降低了加工成本。
電動汽車的心臟是由電池或燃料動力電池驅動的電動機。隨著電動汽車需求的新增，對高品質電池的需求也不斷提高。鋰離子電池作為電池技術發展的首選，其正極材料是決定電池性能的關鍵部件之一。LiFePO4同時具有優越的熱穩定性、高可逆性和可接受的工作電壓（3.45Vvs.Li+/Li），作為正極性材料具有顯著的競爭優點。此前已發表文章多采用溶劑熱法制備納米LiFePO4，產物具有良好的電化學性能，但該法的產率低、成本過高，無法實現規模化加工。與溶劑熱法相比，水熱法制備LiFePO4成本較低，但是產物電化學性能差。而且，無論溶劑熱還是水熱合成，由于受到反應的局限性（3LiOH+FeSO4+H3PO4=LiFePO4+Li2SO4），鋰源的有效利用不超過三分之一。因此，要怎么樣采用水熱法制備具有高性能的納米LiFePO4并且能循環利用鋰源，不僅是實現規模化水熱法制備納米LiFePO4的技術難題，也是一個緊要的科學問題。
最近，我國科學院金屬研究所研究員王曉輝課題組與南京特種航天大學教授朱孔軍合作，在深入理解LaMer形核生長機制的基礎上，通過減小形核窗口時間來增大形核速率，采用微波水熱合成法在純水的合成環境中制備出納米LiFePO4。同時利用沉淀劑將濾液中最有價值的LiOH回收再利用，鋰源的有效利用率超過了90%，大幅度降低了加工成本。由該辦法制備的納米LiFePO4具有迄今為止最高的產率（1.3mol/L），且表現出優良的電化學性能，在0.1C倍率下放電比容量為167mAhg-1，3C倍率下充/放電循環1000次后，仍能保持初始容量的88%，可以滿足大規模儲能的實際使用。該工作率先實現了高性能納米LiFePO4在純水的合成環境中的綠色高效合成，將有力推動其規模化加工。相關結果發表在近日出版的《綠色化學》（GreenChemistry,2018,20,5215-5223）雜志上。
圖1經典的LaMer形核和生長機制以及試驗結果。（a）經典LaMer機理，顆粒在溶液中成核和生長過程中單體濃度變化的示意圖。（b）三個具有高斯分布的形核函數。形核函數的寬度（）對應形核時間窗口。（c）微波加熱和油浴加熱兩種加熱模式下的原位溫度與時間曲線。（d）由兩種不同的加熱模式制備的LiFePO4沿[100]或[010]方向的尺寸統計。微波加熱的尺寸為63nm，而在常規油浴加熱的情況下，尺寸為105nm。
圖2LiFePO4納米晶水熱合成路線及鋰回收示意圖。以LiOH、FeSO4和H3PO4為原料制備納米LiFePO4。用ba（OH）2做沉淀劑與濾液反應，隨后進行固液分離，回收LiOH。插圖為LiFePO4的TEM照片。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖3水熱/溶劑熱合成辦法制備LiFePO4單位體積產率的比較。插圖為本工作中合成的LiFePO4的光學照片。
圖4原始的O-LiFePO4/C和回收的R-LiFePO4/C的電化學性能曲線。（a）O-LiFePO4/C在0.1–10C不同倍率范圍內的典型充放電曲線。（b）倍率性能。（c）O-LiFePO4/C和R-LiFePO4/C在3C倍率下的長循環穩定性。3C對應的充電或放電時間為20分鐘。
鋰離子電池
“鋰離子電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的出產、保存、使用，對環境要求非常高。隨著科學技術的發展，今朝鋰離子電池已經成為了主流。
鋰離子電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制，今朝惟有少數幾個國家的公司在加工這種鋰金屬電池。
2018年十月，南開大學梁嘉杰、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學賴超課題組合作成功制備了石墨烯三維多孔載體，可實現電池超高速充電，有望大幅延長鋰離子電池“壽命”。
