采用喷雾干燥技术大规模化生产LiFePO4

锂离子电池为我们的生活提供动力，新技术领域旨在进一步扩大汽车行业和固定式储能系统的电池规模。为了实现这一战略愿景，高效、长寿命和低成本的电池是促进从化石燃料汽车向电动汽车过渡的较好选择。这一愿景还要求电力存储设备创造可靠且灵活的电网系统，以消除可再生资源的波动供应。在电池中，正极代表了该技术的瓶颈，因为其容量比石墨负极低一个数量级。具有固态电解质的锂-硫电池有望引领下一代电池，尽管其具有很好的循环寿命（超过15000）和更高的容量（达500 mA h g-1），但在成本和规模化方面仍然存在一定困难。碳纳米管（CN）在ZnFe2O4-C/LiFePO4-CNT电池中具有高功率输出和出色的循环性能，但仅处于实验室规模（10 C下循环10 000次，保留初始容量的85%）。电流为273 mA h g-1时，LiCoO2是目前电动汽车的首 选正极，但价格昂贵，并且存在安全和环境问题。LiFePO4（LFP）的容量虽然较低（170 mA h g-1），但其成本低廉且具有热稳定性，同时其前驱体对环境无害。

蒙特利尔理工大学化学工程系Gregory S.Patience课题组证明了喷雾干燥规模化生产的可行性。在本工艺中，炉子将前驱体加热到1100 °C以上，经反应后，将熔融液体倒入模具中形成铸锭。随后，颚式破碎机和辊磨机生产颗粒，然后制成直径为25 μm的粉末。湿介质研磨机可在水中将粒径降至200 nm。正极材料在炉中干燥时会发生氧化，烧结成块并离析。由于材料与热空气的接触时间短（10 s–60 s），因此喷雾干燥可以保留原始的化学性质和形貌特征，从而产生细小的单分散颗粒。

研究表明，通过将乳糖和高分子量聚乙烯醇（PVA）添加到纳米结构的悬浮液中，然后进行热解形成碳笼（其将正极纳米颗粒相互连接），从而提供更好的容量（LiFePO4/C：0.1 C时为161 mA h g-1）、放电倍率（平坦的平台，在5 C下为145 mA h g-1）和循环性能（在1 C进行750次循环后，容量保持率为91%）。LFP在200 nm粒径下（具有炭黑或金属氧化物涂层）的电性能好，因为在橄榄石晶体基质中，LiFePO4的Li+扩散率低且电导率也低。并且，熔铸法可生产纯度较低的前驱体结晶材料，成本为40%。喷雾干燥由于具有易于规模化、高产率和低运行成本的特点有望成为规模化生产LFP和碳笼的一项成熟技术。