锂离子动力电池用正极材料LiFePO4的研发

锂离子动力电池用正极材料LiFePO4的研发,动力汽车用电池的研发组成,材料,电芯,系统,推广,动力电池的成功应用，需要各个步骤紧密配合，相互优化！,锂离子电池的组成,1.正极材料2.负极材料3.电解液4.隔膜正极材料：LiCoO2,LiMn2O4,LiMnCoNiO2,LiFePO4负极材料：石墨,Li4Ti5O12电解液：碳酸酯+LiPF6隔膜：PE/PP微孔膜,LiFePO4（LFP）的介绍,LFP具有橄榄石结构。1996年，德克萨斯州大学的JohnGoodenough教授研究组开始了LiFePO4在二次电池正极材料方面的研究工作，此后由于LFP具有成本低、无毒、资源丰富、热稳定性高、安全性高以及良好的电化学性质等优点，逐渐成为研究的热点，并成为目前非常有前景的一类锂离子电池正极材料。LFP理论比容量为170mAh/g。早期的实际容量约为理论容量的60%左右，经过加入碳和其他添加剂后，可实现理论容量的90%左右,是电动汽车（EV）和混合电动汽车（HEV）动力电池正极材料的最佳选择。,LFP是引发锂离子电池产业革命的一种新材料，由于其自身的优势，其被广泛的应用于混合动力汽车，电动工具，电动自行车，放电储能装置。2009年，全球LFP的市场规模达到280亿元，对于LFP的需求是6万吨，而2008年全球LFP的生产能力小于1万吨。目前LFP市场售价是16-17万/吨，成本是5-6万/吨，利润率达60-70%,2010年全球LFP的市场缺口将达10万吨，因此材料的市场是供不应求。国际上生产商有美国的Valence，A123，日本Sony，加拿大的Phostech。国内的生产商有台湾立凯（Alees）深圳比亚迪，深圳贝特瑞，天津斯特兰，北京北大先行，北京当升，苏州恒正等50几家。,LiFePO4的市场需求,LiFePO4的专利分析,有关LFP的专利数量较大，仅分析了在锂电池领域具有领先地位的六家公司：1.德州大学3项2.Phostech11项3.A1239项4.Valence公司7项5.Sony39项6.比亚迪35项共计104项LFP的专利。,锂离子电池的工作原理,在充电过程中电池正极发生的反应为LiFePO4-Li+-e-Fe3+PO43-负极发生的反应为Li+e-Li(C)在放电过程中电池正极发生的反应为Li+e-+Fe3+PO43-LiFePO4负极发生的反应为Li(C)Li+e-,正极材料LiFePO4的特点,优点1.成本低，无毒2.稳定性好3.克容量高缺点1.LFP中的电子传导率较低2.LFP中Li+传导率较低3.LFP的振实密度较低,LFP电极传输率的决定因素,w=ei/e+i,w是电极传输率e是电子电导率在10-9s/cm量级i是离子传输率在10-11s/cm量级,目前提高LiFePO4材料性能的途径,1.包覆2.纳米化3.球形化4.掺杂,正极隔膜负极,我们所做的工作,LiFePO4的制备1.采用均相共结晶方法制备纳米前驱体。2.喷雾造粒，干燥前驱体。3.弱还原气氛烧结，晶化材料。4.筛分。,LFP制备过程详细分述,前驱体制备：将含Li+，Fe2+，PO43-的盐分别溶解，然后按一定顺序加入到共结晶剂中，在一定pH值和一定温度下加速搅拌，让整个溶液充分混合，然后在一定温度下保持一段时间，目的是让整个溶液充分晶化反应，然后抽滤、洗涤获得的结晶体。（将获得纳米级的LiFePO4前驱体，其中纳米级的颗粒将是决定电池性能的决定性因素）喷雾造粒：喷雾干燥上述过程获得纳米前驱体，喷雾前可以在前驱体中混入碳，碳的来源可以是无机物或者有机物，喷雾的过程中要注意雾化器的转速，料液的浓度，进料速度，进出口温度等，目的要获得类球形的，多孔的，粒径小于20m的颗粒。,低温烧结：还原气氛的烧结过程要严格控制气氛炉中的氧含量，以避免Fe2+被氧化成Fe3+，同时还原性不能太强，否则会出现Fe2P。气氛炉的烧结条件要严格保持一致，目的是获得高一致性的材料，一般用的气体为N2/H2或者Ar/H2混合气体。分筛分装：采用超声振动筛，去除异常的大颗粒，然后分装，封袋。,纳米级的前驱体（经40干燥）,烧结后的样品（经500N2/H2气氛烧结）,喷雾干燥后的颗粒（15%进口240出口温度为105）,喷雾干燥颗粒经过500烧结,改进条件喷雾干燥后的颗粒（浓度5%进口160出口60-70）,500烧结后的样品,结论,采用均相结晶法和喷雾造粒法相结合可以制备出球形的LFP颗粒，一次粒子为纳米粒子，二次粒子为微米粒子。生产成本满足产业