LiFePO4正极材料的微波合成机理及微波等离子改性研究

LiFePO4是当前锂离子电池正极材料的研究开发热点，但是采用传统方法制备时存在合成时间长、难以获得纯相及合成的正极材料室温电导率低、在大电流充放电时容量衰减大等问题。本项目在前期开展的LiFePO4材料微波合成的基础上，除了利用微波合成可大大降低合成温度，缩短合成时间，避免产生杂相和抑制晶粒长大外，创新性地将微波电磁场分离成微波电场和微波磁场，分别研究微波电场、微波磁场对不同粒径和种类的原料粉末的加热速率及合成LiFePO4材料的结构、成分与电化学性能的影响，探索LiFePO4对微波电场和微波磁场强度的适用性，研究在优化的微波电场和微波磁场的协同作用下微波外场合成LiFePO4的机理，并创新性地利用微波等离子低温活化特性，对微波合成的LiFePO4粉体表面进行可精确控制的碳包覆改性，以克服容量衰减，提高循环性能，为开发具有我国知识产权的微波合成LiFePO4材料新技术提供理论基础。

自1997年Goodenough将磷酸铁锂用于锂离子电池之后，磷酸铁锂作为正极材料吸引了越来越多的关注。和其他的正极材料相比，磷酸铁锂具有以下优点：成本较低、放电电位高（在3.4V左右非常平稳的电压曲线）、比容量大（理论为170 mAh/g）、良好的热稳定性、优异的循环使用性能、同时安全环保。然而，磷酸铁锂也存在一些不足如导电性能差（～10-9S/cm），导致高阻抗低倍率，从而影响其在电池行业的应用。. 本研究的目的是通过制备高导电性能的纳米尺度的磷酸铁锂来解决其两大关键问题，通过多价元素取代和不同碳源的原位碳包覆及微波等离子改性来提高材料导电性能。. 基于对前躯体进行红外光谱测试及差热分析制定磷酸铁锂的合成方法。在单模腔中加热化学计量水氢氧化锂、磷酸二氢铵和羟基铁的混合物来制备磷酸铁锂。在反应物中添加柠檬酸、蔗糖以及微波等离子中加入甲烷等碳源来制备碳包覆磷酸铁锂。X射线衍射分析表明可以通过微波合成快速方便地制备单相磷酸铁锂。对制备的样品进行表面分析，发现样品由多孔纳米粒子聚集而成，孔洞处可以作为锂离子通道从而提高磷酸铁锂的电学性能。由于较小的颗粒尺寸，多孔聚集以及石墨化碳的存在，磷酸铁锂即使在50个循环之后仍表现出良好的电化学特征和循环使用性能。. 我们的工作目标是使电池的比容量接近理论值并增加其循环使用寿命。因此我们选择了多价元素如锰、铬、钼来取代磷酸铁锂中的铁原子。通过在反应物中添加化学计量比的取代元素的化合物来实现磷酸铁锂的掺杂。合成条件和原来的条件相同。通过晶格参数的变化以及其他测试来确定元素是否取代。结果表明，钼取代的磷酸铁锂正极的在电流密度为0.1C时放电比容量接近理论值，同时具有优良的循环使用性能。