【導(dǎo)讀】鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料的總稱。電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。出現(xiàn)可稱得上是二次電池歷史上的一次飛躍。正極材料常用鋰離子嵌入化合物，如LiCoO2，LiNO2，LiWO2，LiMn2O4，LiFePO4等，目前LiCoO2應(yīng)用最成功；負(fù)極材料常用鋰離子插入化合物，約是密封鉛酸電池電壓的兩倍。機(jī)等便攜式電子設(shè)備中。汽車面臨汽油緊張和污染環(huán)境,電動(dòng)車將部。分解決這些問題，電動(dòng)自行車已為人們接受。性能,將成為電動(dòng)車的主要?jiǎng)恿υ?，還將在區(qū)域電子綜合信息系統(tǒng)，衛(wèi)星及航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。直是鋰離子電池研究的重點(diǎn)。料的容量，正極材料已成為限制鋰離子電池容量的瓶頸。LiFePO4因具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、沒有毒性、對(duì)環(huán)境友。發(fā)展，鋰離子電池在小型可充電電池的市場(chǎng)中的占有率已經(jīng)超過30%。商品化以來，鋰離子電池目前是供不應(yīng)求。鋰離子電池的主要生產(chǎn)出口國日本，2021年生產(chǎn)億只，2021. 年底的4200萬用戶激增到2021年底的近2億多戶，已占全球第一，

　　

【正文】 的 FePO4相，并形成相界面。在放電過程中，鋰離子和相應(yīng)的電子插入材料，從而在 FePO4 相外面形成新的 LiFePO4 相。故此對(duì)于球形的活河南聯(lián)合新能源有限公司 28 性物質(zhì)顆粒，不論是插入還是脫出，鋰離子都要經(jīng)歷一個(gè)由外到內(nèi)或者是由內(nèi)到外的擴(kuò)散過程。材料在充放電過程中存在一個(gè)決定步驟，也就是鋰離子穿過 ePO4/LiFePO4 幾個(gè)納米厚度的界面的擴(kuò)散。從材料的微觀結(jié)構(gòu)分析，鋰離子占據(jù)八面體位置，這種八面體處于 ac 面上，以共邊形式連接， 以鏈狀形式平行 c 軸于；而鐵離子占據(jù)的八面體位置處在相異的 ac 平面上以共角形式連接，呈之字形狀，平行 c 軸排列。磷氧四面體連接著含鋰離子的 2個(gè) ac 面。這種結(jié)構(gòu)極大的限制了鋰離子的遷移，這也是材料擴(kuò)散系數(shù)小的本質(zhì)原因。 LiFePO4 的理論比容量為 170mAh/g,相對(duì)于鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定放電平臺(tái)為 ，相對(duì)其他幾種正極材料具有高的比能量 ,且原料資源豐富、價(jià)格便宜、無毒、環(huán)境友好、熱穩(wěn)定性好、安全性高 ,是下一代鋰離子蓄電池正極材料最有力的競(jìng)爭者之一。但其較差的導(dǎo)電性和低的 Li+擴(kuò)散系數(shù)一直是阻礙其實(shí)用化的最主要原 因 , 因而國內(nèi)外學(xué)者在提高 LiFePO4 的導(dǎo)電能力方面競(jìng)相展開了研究。但極低的電子電導(dǎo)率（ 1010109 Scm1）是限制其實(shí)際應(yīng)用的最主要因素。目前科研工作者已經(jīng)能夠通過包覆、摻雜、制備成復(fù)合材料等改性方法來克服這一缺點(diǎn)。例如，已經(jīng)有報(bào)道指出部分鋰位被高價(jià)金屬離子替換后的材料電導(dǎo)能提高 78 個(gè)數(shù)量級(jí)。 國內(nèi)國際磷酸鐵鋰材料生產(chǎn)商： 國內(nèi)：天津斯特蘭 北大先行 湖南瑞翔 蘇州恒正其中天津斯特蘭現(xiàn)在材料穩(wěn)定批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 北大先行小批量生產(chǎn) 國際：河南聯(lián)合新能源有限公司 29 加拿大 Phostech、美國 Valence、美國 A12日本 sony. 其中A123 規(guī)模最大且得到美國政府的大力資助。 項(xiàng)目簡介：鋰離子電池的性能主要取決于正負(fù)極材料，磷酸鐵鋰作為鋰電池材料是近幾年才出現(xiàn)的事，國內(nèi)開發(fā)出大容量磷酸鐵鋰電池是 2021 年 7 月。其安全性能與循環(huán)壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動(dòng)力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。 1C 充放循環(huán)壽命達(dá) 2021 次。單節(jié)電池過充電壓 30V 不燃燒，穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易串聯(lián)使用。以滿足電動(dòng)車頻繁充放電的需要。具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價(jià)格便宜，壽命長等優(yōu)點(diǎn)， 是新一代鋰離子電池的理想正極材料。 本項(xiàng)目屬于高新技術(shù)項(xiàng)目中功能性能源材料的開發(fā)，是國家 “863”計(jì)劃、 “973”計(jì)劃和 “十一五 ”高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。 二．技術(shù)特點(diǎn) 本技術(shù)路線使用磷酸鐵和碳酸鋰作為主要原材料，采用獨(dú)特的一步反應(yīng)法制備導(dǎo)電性能優(yōu)異的磷酸鐵鋰，主要先進(jìn)性和創(chuàng)新性有： （ 1） 避開了其它合成方法中使用磷酸二氫銨為原料，產(chǎn)生大量氨氣污染環(huán)境的問題。 （ 2） 采用特殊的混料方法，使添加劑與鋰源、鐵源、磷源達(dá)到充分混合，而且無須干燥，直接進(jìn)行煅燒。添加劑在 后續(xù)的反應(yīng)中即可以起到還原的作用，也能形成對(duì)磷酸鐵鋰顆粒的包覆作用，可以大大提高正極材料的導(dǎo)電性能。 河南聯(lián)合新能源有限公司 30 （ 3） 本工藝采用干法混料，不用乙醇，不用干燥，減少工藝步驟、減少設(shè)備投資，降低成本，而且增加了生產(chǎn)過程中的安全性。 （ 4） 采用的工藝路線容易控制，工藝穩(wěn)定性好，成本低廉，所用原材料和設(shè)備均來自國產(chǎn)，大大降低了產(chǎn)業(yè)化成本。容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。 （ 5） 本項(xiàng)目前采用全新工藝研制的磷酸鐵鋰材料克容量已達(dá)到或超過進(jìn)口產(chǎn)品。 近年來，隨著鋰離子電池應(yīng)用持續(xù)升溫，其產(chǎn)業(yè)仍呈現(xiàn)高速增長的態(tài)勢(shì)。國 家發(fā)改委最新發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》，把鋰離子電池等高技術(shù)綠色電池的制造作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)放在了優(yōu)先發(fā)展的位置。磷酸鐵鋰正極材料產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施可極大地促進(jìn)我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益 所選擇的金屬鹽類及金屬氧化物等原材料對(duì)人和環(huán)境危害極小，制造過程中僅產(chǎn)生少量 CO2 氣體，故不會(huì)對(duì)環(huán)境和人員造成危害。 近年來，隨著鋰離子電池應(yīng)用持續(xù)升溫，其產(chǎn)業(yè)仍呈現(xiàn)高速增長的態(tài)勢(shì)。國家發(fā)改委最新發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》，把鋰離子電池等高技術(shù)綠色電池的制造作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)放在了優(yōu)先發(fā)展的位置。磷酸鐵 鋰正極材料產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施可極大地促進(jìn)我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。 正極材料的產(chǎn)業(yè)化是促進(jìn)鋰離子電池發(fā)展的需要 新能源的不斷開發(fā)是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)可移動(dòng)能源的需求愈來愈強(qiáng)烈，特別是對(duì)純電動(dòng)交通河南聯(lián)合新能源有限公司 31 工具的要求隨石油及環(huán)境危機(jī)的加劇而不斷加強(qiáng)， 2021 年的奧運(yùn)會(huì)將在北京召開，綠色能源的利用已列入奧運(yùn)的主題，國家也將電動(dòng)汽車列入 863 重大專項(xiàng)，其中鋰離子電池以其高能密度列入重點(diǎn)攻關(guān)的化學(xué)電源之一。但目前制約純電動(dòng)交通工具產(chǎn)業(yè)化的瓶頸是：（ 1）電池價(jià)格高使純電 動(dòng)車價(jià)格昂貴；（ 2）無法解決高能動(dòng)力電池因所用電極材料導(dǎo)致的安全問題。因此，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是能否解決價(jià)廉、安全、性能優(yōu)異、環(huán)境友好的二次化學(xué)電源技術(shù)。 至今，主要用于鋰離子電池的正極材料是層狀 LiCoO2，其已廣泛應(yīng)用在小型電池，但它不適用于高能動(dòng)力電池，目前我國已達(dá)到的LiCoO2 正極材料生產(chǎn)能力約為 5000 多噸每年；若電動(dòng)自行車， EV或 HEV 用鋰離子電池得以發(fā)展，則材料的需求量更大。而我國長期以來就缺乏鈷資源，鈷礦主要共（伴）生在銅、鎳、鐵礦中，截至1999 年底，我國累計(jì)探明鈷儲(chǔ)量 萬噸。由 于連年開采，我國鈷儲(chǔ)量逐年減少。尋求成本低、儲(chǔ)量豐富的原材料替代鈷已是刻不容緩。 另外從安全性角度看，大功率鋰離子動(dòng)力電池的正極材料如果還用做小型電池的鋰鈷氧化物，有可能引起燃燒甚至爆炸，已陸續(xù)出現(xiàn)過幾起手機(jī)電池爆炸事故，使人們對(duì)其產(chǎn)生了恐懼。要解決安全問題，一定要換成安全性好的材料才不會(huì)有安全隱患。 1997 年，首次報(bào)道了橄欖石型的磷酸鐵鋰 (LiFePO4)可用于鋰離子電池正極材料，近年來國際上普遍認(rèn)為 LiFePO4 是高能動(dòng)力電池的最佳新型正極材料。其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：（ 1）能解決 LiCoO2 及其他現(xiàn)有正極 材料不能解決的安全問題：由于采用磷酸根取代了氧，在河南聯(lián)合新能源有限公司 32 濫用條件下不會(huì)有氧氣析出，所以安全性能大大提高。（ 2）原料來源廣泛，價(jià)格低廉：鐵元素在地殼中含量十分豐富，僅次于氧、硅、鋁三種元素。（ 3）無毒、無污染，是真正的綠色能源。（ 4）循環(huán)壽命非常長，可以滿足電動(dòng)車頻繁充放電的需要。綜上， LiFePO4 具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價(jià)格便宜，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。對(duì)該類材料進(jìn)行深入研究并積極推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化步伐，是解決電動(dòng)車輛用長壽命、安全型、低成本的鋰離子電池的關(guān)鍵，該類材料的 快速產(chǎn)業(yè)化不僅具有很大的經(jīng)濟(jì)效益，還具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，有利于我國乃至全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。 技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)水平 技術(shù)特點(diǎn) 本技術(shù)路線使用磷酸鐵和碳酸鋰作為主要原材料，采用一步反應(yīng)法制備導(dǎo)電性能優(yōu)異的磷酸鐵鋰，主要先進(jìn)性和創(chuàng)新性有： （ 1） 避開了其它合成方法中使用磷酸二氫銨為原料，產(chǎn)生大量氨氣污染環(huán)境的問題。 （ 2）采用特殊的混料方法，使添加劑與鋰源、鐵源、磷源達(dá)到充分混合，而且無須干燥，直接進(jìn)行煅燒。添加劑在后續(xù)的反應(yīng)中即可以起到還原的作用，也能形成對(duì)磷酸鐵鋰顆粒的包覆作用，可以大大提高正極材 料的導(dǎo)電性能。 （ 4） 采用的工藝路線容易控制，工藝穩(wěn)定性好，成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。 （ 5） 本項(xiàng)目前采用全新工藝研制的磷酸鐵鋰材料克容量已達(dá)到河南聯(lián)合新能源有限公司 33 或超過進(jìn)口產(chǎn)品。 技術(shù)水平 基本參數(shù) Li =%, Fe=%, P=%, C=2% 物理參數(shù) 松裝密度 , 振實(shí)密度 , 中位徑 2~3μ m 涂片參數(shù) LiFePO4:C:PVDF=90:3:7 極片壓實(shí)密度： 電化學(xué)性能 克容量 155mAh/g 測(cè)試條件：紐扣 , 電壓 連續(xù)化、自動(dòng)化情況 工藝過程以半自動(dòng)機(jī)械為主，主要的燒結(jié)工藝采用連續(xù)式生產(chǎn)，即考慮了機(jī)械的工作效率，也兼顧到人力資源的豐富，同時(shí)也降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。 原材料供應(yīng)與外協(xié)配套 本項(xiàng)目開發(fā)所需的主要原材料為碳酸鋰、磷酸鐵，均為大宗化工產(chǎn)品，目前國內(nèi)有多家生產(chǎn)廠商供應(yīng)，根據(jù)需要選擇幾家產(chǎn)品質(zhì)量可靠，貨源充足，價(jià)格合理的單位作為原材料的“協(xié)議供應(yīng)商”，以確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行。一般采用現(xiàn)款現(xiàn)貨或現(xiàn)款訂貨方式供貨。 河南聯(lián)合新能源有限公司 34 本項(xiàng)目的主要原材料消耗情況：按年產(chǎn) 200 噸磷酸鐵鋰 計(jì)算， 240噸，碳酸鋰消耗 47 噸。 動(dòng)力供應(yīng)與輔助設(shè)施 本項(xiàng)目生產(chǎn)主要能源為電力且消耗大，為滿足該項(xiàng)目正常用電需求，應(yīng)配備 250 千瓦的電力。 環(huán)境保護(hù)與職業(yè)安全衛(wèi)生 本項(xiàng)目生產(chǎn)的是一種無污染的二次電池正極材料，因此，所選擇的金屬鹽類及金屬氧化物等原材料對(duì)人和環(huán)境危害極小，制造過程中僅產(chǎn)生少量 CO2 氣體，故不會(huì)對(duì)環(huán)境和人員造成危害。 項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃 （ 1）在兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)根據(jù)工藝技術(shù)方案完成設(shè)備調(diào)研，確定出設(shè)備型號(hào)、生產(chǎn)廠家，開始執(zhí)行采購安裝程序。 （ 2）通過兩個(gè)月時(shí)間完成設(shè)備安裝，并按工藝流程試生產(chǎn) 。 （ 3）通過半年時(shí)間，建立年產(chǎn) 200 噸鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰的生產(chǎn)線。