電動汽車的心臟是由電池或燃料電池驅(qū)動的電動機(jī)。隨著電動汽車需求的增加，對高品質(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。LiFePO₄同時具有優(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)，作為正極性材料具有顯著的競爭優(yōu)勢。此前已發(fā)表文章多采用溶劑熱法制備納米LiFePO₄，產(chǎn)物具有良好的電化學(xué)性能，但該法的產(chǎn)率低、成本過高，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。與溶劑熱法相比，水熱法制備LiFePO₄成本較低，但是產(chǎn)物電化學(xué)性能差。而且，無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三分之一。因此，如何采用水熱法制備具有高性能的納米LiFePO₄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LiFePO₄的技術(shù)難題，也是一個重要的科學(xué)問題。

最近，中國科學(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形核生長機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過減小形核窗口時間來增大形核速率，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。同時利用沉淀劑將濾液中最有價值的LiOH回收再利用，鋰源的有效利用率超過了90%，大幅度降低了生產(chǎn)成本。由該方法制備的納米LiFePO₄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%，可以滿足大規(guī)模儲能的實(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過程中單體濃度變化的示意圖。（b）三個具有高斯分布的形核函數(shù)。形核函數(shù)的寬度（）對應(yīng)形核時間窗口。（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。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LiFePO₄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倍率下的長循環(huán)穩(wěn)定性。3C對應(yīng)的充電或放電時間為20分鐘。