概述

LiFe1-yMnyPO4降低生产成本及改善产品性能的工艺研发

需求详情

1、 需求技术目前国内，国际的现状随着太阳能、风能、潮汐能等可再生能源技术的快速发展，有效的储能已成为近年来人们关注的主要问题之一。自从20世纪90年代初日本索尼公司将LIBs（LIBs）商业化以来，其一直在快速发展。最初，LIBs主要用于便携式电子设备，在过去几年里，它们的应用已经扩展到混合动力汽车（PHEVs）、电动汽车（EVs）和大规模储能等领域。LIBs的大规模应用迫切要求显著提高其能量密度和功率密度。因此，新型电极材料、稳定电解质和高效电池工艺的联合研究已成为高性能LIBs设计的重要目标之一。正极材料对于提升LIBs容量及降低成本都具有重要的意义。高性能正极材料的设计和制备受到了国内外学术界和工业界的广泛关注。1980年，Goodenough等人首次成功将LiCoO2用于便携式电子器件的正极。LiCoO2具有中等比容量、较高振实密度及能量密度。但是，由于Co的高成本和高毒性及LiCoO2的较差的稳定性限制了其大规模的应用。研究人员已经寻找到了如LiMn2O4、LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2和LiMn0.33Co0.33Ni0.33O2等有效的替代材料以克服LiCoO2目前所面临的问题。除了过渡金属氧化物外，由Goodenough等人于1997年首次提出的橄榄石型正极材料，近年来取得了巨大的成功。其中，LiFePO4（LFP）因其环保、Fe元素自然丰度高、结构稳定、热稳定性高、电化学性能稳定等优异性能而被A123、Sony等公司广泛研究和商业化。在3.5 V的电压平台下，其理论容量为170 mAh·g-1。为了进一步提升其电化学性能，现在的研究重点是更具挑战性的橄榄石LiMPO4（M=Mn、Co和Ni）。其中，LiMnPO4（LMP）因其较高的理论容量、良好的热稳定性、以及4.1 V的高工作电压，被认为拥有传统碳酸酯电解质稳定窗口内实际可达到的最大能量密度（701 Wh·kg-1）。LiFe1-yMnyPO4（LFMP，0.5≤y＜1.0）结合了LiFePO4和LiMnPO4的优点，因其成本低、对环境友好、良好的电化学性能而受到研究者们的关注。目前，LFMP在提高LIBs的比容量、倍率性能、使用寿命等方面取得了显著的成功，被认为是下一代高能量密度LIBs最有前途的正极材料之一。随着储能的蓬勃发展，对先进正极材料的发展提出了高性能LIBs的要求。对于正极材料来说，同时获得高能量密度是目前的瓶颈问题。LMFP具有高电压窗口、良好的能量密度和循环稳定性，是一种很有前途的正极材料。然而，LMFP的电子导电性和Li+扩散系数都很差，导致其性能较差。对于LMFP正极材料在动力电池领域的商业化应用，研究人员还需要克服一些技术挑战。总之，深入了解LMFP的微观结构变化与性能之间的内在联系，对于进一步提高LMFP的性能具有重要的理论意义。从LiFe1-yMnyPO4材料的结构特征、典型电化学行为和脱锂/锂化机理来看，LiFe1-yMnyPO4材料在电化学性能改善方面的工艺路线，包括合成方法的选择、优化Fe/Mn比、粒子形态、表面包覆、阳离子/阴离子掺杂以及LMFP全电池的合理设计。尤其在降低成本，推动LMFP的性价比提升方明仍然有大量工作。2、具体技术改善需求：（1） 在工业领域，通常采用微米级正极材料来增加LIBs的体积能量密度。然而，由LMFP一次纳米粒子聚集形成的二次微球增加了Li+的传输距离，导致Li+的性能较差。设计特殊的结构如LFP/LMFP双层结构和浓度梯度结构可以在保证高振实密度的同时提高LMFP正极材料的性能。然而，合成具有特殊结构的LMFP材料过程复杂、能耗高。因此，探索一种大规模、低成本的制备工艺是下一步研究的重点。（2） 适当的碳包覆是提高LMFP材料性能的重要手段。而碳包覆层的均匀性、含量和石墨化程度直接影响LMFP材料的导电性。利用石墨烯、碳纳米管等高度石墨化的碳源构建三维导电网络，可大大提高LMFP材料的导电性。然而，在低成本条件下，无法大规模合成高纯度石墨烯。因此，在保证碳涂层的均匀性和完整性的前提下，进一步调整碳含量和涂层工艺，平衡体积能量密度和性能之间的关系，是合成高性能LMFP/C低成本复合材料的关键。（3） 最近的研究表明，阴离子/阳离子掺杂也可以在一定程度上提高LMFP正极材料的性能。然而，对掺杂机理、合适的掺杂元素和最佳掺杂含量的研究尚不明确。因此，希望通过先进的原位表征方法和理论计算，进一步探讨不同元素掺杂对结构和性能的影响。（4） 优化溶剂热合成方法，可实现LMFP的性能提升。但工艺成本较高，可以进一步优化工艺路线，提高材料性能的同时降低生产成本。为了实现LMFP性能的实质性提高，降低生产成本，可以采用多种改进策略来实现。

技术参数

提升电极压实密度5%以上，电池循环性能大于1000次，生产成本降低10%以上，研发3款以上新产品。申报发明专利2件以上。

项目预期

2023年1-3月：提高理论计算，优化离子掺杂对材料性能的提升，给出LMFP离子掺杂的策略；2023年4-6月：探索一种大规模、低成本的制备工艺改进方法；2023年7-9月：优化溶剂热合成方法，提出进一步降低成本的路线图；2023年10-12月：将以上实验室的成果与合志公司的实际生产相结合，提出合志公司生产工艺降低成本的路线图，并指导企业实现生产成本的降低。2023年1-3月：提高理论计算，优化离子掺杂对材料性能的提升，给出LMFP离子掺杂的策略；2023年4-6月：探索一种大规模、低成本的制备工艺改进方法；2023年7-9月：优化溶剂热合成方法，提出进一步降低成本的路线图；2023年10-12月：将以上实验室的成果与合志公司的实际生产相结合，提出合志公司生产工艺降低成本的路线图，并指导企业实现生产成本的降低。