電動(dòng)汽車(chē)的心臟是由電池或燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。隨著電動(dòng)汽車(chē)需求的增加，對(duì)高品質(zhì)電池的需求也不斷提高。鋰離子電池作為電池技術(shù)發(fā)展的首選，其正極材料是決定電池性能的關(guān)鍵部件之一。磷酸鐵鋰同時(shí)具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、高可逆性和可接受的工作電壓(3.45Vvs.Li+/Li)，作為正極材料具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此前已發(fā)表文章多采用溶劑熱法制備納米磷酸鐵鋰，產(chǎn)物具有良好的電化學(xué)性能，但該法的產(chǎn)率低、成本過(guò)高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。與溶劑熱法相比，水熱法制備磷酸鐵鋰成本較低，但是產(chǎn)物電化學(xué)性能差。而且，無(wú)論溶劑熱還是水熱合成，由于受到反應(yīng)的局限性（3LiOH + FeSO4+ H3PO4= LiFePO4+ Li2SO4），鋰源的有效利用不超過(guò)三分之一。因此，如何采用水熱法制備具有高性能的納米磷酸鐵鋰并且能循環(huán)利用鋰源，不僅是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化水熱法制備納米磷酸鐵鋰的技術(shù)難題，也是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。
 
最近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員王曉輝課題組與南京航空航天大學(xué)教授朱孔軍合作，在深入理解LaMer形核生長(zhǎng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過(guò)減小形核窗口時(shí)間來(lái)增大形核速率，采用微波水熱合成法在純水的合成環(huán)境中制備出納米LiFePO4。同時(shí)利用沉淀劑將濾液中最有價(jià)值的LiOH回收再利用，鋰源的有效利用率超過(guò)了90%，大幅度降低了生產(chǎn)成本。由該方法制備的納米磷酸鐵鋰具有迄今為止最高的產(chǎn)率（1.3mol/L），且表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能，在0.1C倍率下放電比容量為167mAhg-1，3C倍率下充/放電循環(huán)1000次后，仍能保持初始容量的88%，可以滿(mǎn)足大規(guī)模儲(chǔ)能的實(shí)際應(yīng)用。該工作率先實(shí)現(xiàn)了高性能納米LiFePO4在純水的合成環(huán)境中的綠色高效合成，將有力推動(dòng)其規(guī)模化生產(chǎn)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近日出版的《綠色化學(xué)》（Green Chemistry, 2018,20, 5215-5223)雜志上。
 
 
 
圖1 經(jīng)典的LaMer形核和生長(zhǎng)機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）經(jīng)典LaMer機(jī)理，顆粒在溶液中成核和生長(zhǎng)過(guò)程中單體濃度變化的示意圖。（b）三個(gè)具有高斯分布的形核函數(shù)。形核函數(shù)的寬度（）對(duì)應(yīng)形核時(shí)間窗口。（c）微波加熱和油浴加熱兩種加熱模式下的原位溫度與時(shí)間曲線。（d）由兩種不同的加熱模式制備的LiFePO4沿[100]或[010]方向的尺寸統(tǒng)計(jì)。微波加熱的尺寸為63nm，而在常規(guī)油浴加熱的情況下，尺寸為105nm。
 
 
 
圖2 LiFePO4納米晶水熱合成路線及鋰回收示意圖。以LiOH、FeSO4和H3PO4為原料制備納米LiFePO4。用Ba(OH)2做沉淀劑與濾液反應(yīng)，隨后進(jìn)行固液分離，回收LiOH。插圖為L(zhǎng)iFePO4的TEM照片。

 
 
圖3 水熱/溶劑熱合成方法制備LiFePO4單位體積產(chǎn)率的比較。插圖為本工作中合成的LiFePO4的光學(xué)照片。
 
 
 
圖4 原始的O-LiFePO4/C和回收的R-LiFePO4/C的電化學(xué)性能曲線。（a）O-LiFePO4/C在0.1–10C不同倍率范圍內(nèi)的典型充放電曲線。（b）倍率性能。(c)O-LiFePO4/C和R-LiFePO4/C在3C倍率下的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。3C對(duì)應(yīng)的充電或放電時(shí)間為20分鐘。