锂离子电池正极材料磷酸铁锂合成新技术研究技术报告

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1、锂离子电池正极材料磷酸铁锂合成新技术研究技术报告一、前言锂离子电池自90年代问世以来，因具有工作电压高、能量密度大、重量轻、安全性好、寿命长以及环保性佳等特点而被广泛用于笔记本、个人数字助理、行动电话、摄录像机、数字相机、迷你光驱、掌上电脑、游戏机等可携式电子产品上；未来更可作为电动工具、电动自行车、电动机车及电动车之动力来源。众所周知，锂离子电池已经产生了巨大的经济社会效益并且成为一种重要的新能源，具有广阔的应用前景。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜组成，其中正极材料性能是制约锂离子电池应用与发展的关键因素。目前，国内外研究与应用的正极材

2、料主要有过渡金属氧化物，如层状结构的LiMO2(M=Co、Ni、Mn)和尖晶石型结构的锰酸锂(LiMn2O4)，其中，钴酸锂(LiCoO2)成本高，资源贫乏，毒性大；镍酸锂(LiNiO2)制备困难、热稳定性差；锰酸锂(LiMn2O4)容量低、循环稳定性差。而橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO4)作为锂离子电池新型正极材料，尽管制备较困难、导电性能有待改善，但其安全性和热稳定性好、价格便宜、无环境污染，而且充放电效率高。因此，LiFePO4引起了国内外人们极大的关注，被认为是极具应用潜力的锂离子电池，特别是用作动力锂离子电池的正极材料。但目前，LiFePO4作为

3、锂离子电池正极材料，特别作为大功率动力电池正极材料因性能等方面原因还不能满足应用需要。本项目拟利用微生物合成新技术制备性能良好的LiFePO4，以更好的满足锂离子电池的需要，并尽快实用化，这对解决济南市以及全省乃至全国新能源与环境问题，促进经济社会发展具有重要的实际意义。目前，国内外制备LiFePO4有多种方法，如高温固相法合成LiFePO4，该方法简单方便，容易操作，但存在合成周期长、产物批次质量稳定性差、成本高等缺点；共沉淀法合成LiFePO4，该方法组分均匀、合成温度低、颗粒细，但振实密度小、污染严重；溶胶—凝胶法合成LiFePO437，该方法化学均

4、匀性好、热处理温度低、粒径小且分布窄、易于控制，但干燥收缩大、工业化生产困难、合成周期长；水热法合成LiFePO4，该方法具有物相均一、粉体粒径小、合成过程简单的优点，但只限于少量粉体制备、需要高温高压设备、造价高；碳热还原法合成LiFePO4，克服了固相法成本高的缺点，可提高材料导电性，但反应时间过长，产物均匀性差，颗粒较粗。另外，目前有关合成LiFePO4材料虽有多项发明专利，但其研究主要集中在上述已有合成方法的改进和LiFePO4的改性方面，并没有使LiFePO4材料的合成技术、性能和应用方面产生实质性突破，因此，合成LiFePO4因综合性能不理想而

5、难以满足动力电池的需要。目前，国内外根据锂离子电池的市场需求，正寻求改进原有合成技术或采用新技术，以期进一步提高LiFePO4的综合性能，降低合成成本，从而满足各领域，特别是新能源领域对锂离子电池正极材料的需要。本项目针对上述各种合成方法的缺点，以酵母为模板，采用微生物合成新技术，运用微生物矿化原理和发酵原理，利用微生物细胞的生物模板作用，通过生物矿化及酶催化作用、生物氧化还原反应、代谢能转化进行代谢能网络介孔结构复制，合成了具有介孔结构的LiFePO4材料。利用微生物活体细胞本身特有的多级纳米网状结构和自组装方式来生物矿化合成的纳米材料，在结构、性质和功

6、能上，与化学法相比较存在明显差异，如在纳米结构的稳定性、多样性、可重复性和可控性方面有明显的优势，能合成目前不能制备的或用化学法合成较困难的性能优异的多级纳米结构材料。微生物催化仿生合成新技术具有以下优点：（1）通过选择不同微生物细胞结构和培养条件能精确调控LiFePO4材料的纳米结构形态，利用微生物细胞壁上关键酶的高效催化反应可用无机物来复制微生物细胞中精美的多级纳米结构。（2）微生物细胞传代生长速度快，培养和反应条件温和易控制，工艺简单，低能耗，重复性好，效率高，生产成本低，产品质量高，无环境污染，易产业化。微生物催化仿生合成新技术为发展高效、安全、无

7、毒的纳米磷酸盐材料提供了新的途径。（3）以安全绿色的天然营养酵母细胞为催化模板剂，可防止介孔结构在热处理过程中的塌陷问题，能制备出具有代谢能网络介孔结构且电化学性能优异的LiFePO4材料，且合成材料的介孔结构热稳定性、可控性和重复性比采用软化学模板法或溶胶凝胶法具有明显优势。37一、研究思路、方法与过程（一）、原材料和实验设备本项目所用主要原材料如表1所示。表1材料合成所用化学药品药品名称分子式含量级别引入组分及作用生产厂家磷酸氢二铵(NH4)2HPO499%,A.R.磷源天津市百世化工有限公司草酸C2H2O4·H2OA.R天津博迪化工有限公司磷酸二氢铵

8、NH4H2PO499%,A.R.磷源天津市百世化工有限公司碳酸锂L