锂离子电池正极材料合成与表征教学实验设计

1SSN1672-4305 实验室科学第19卷第5期2016年10月CN12-1352/N LABORATORY SCIENCE Vol. 19 No. 5 Oct. 2016实验研究锂离子电池正极材料合成与表征教学实验设计欧秀芹，梁金生，梁秀红，梁广川，丁燕，王丽，汤庆国 (河北工业大学1.能源与环保材料研究所；2.生态环境与信息特种功能材料教育部重点实验 室，天津 300130)摘要：结合功能材料专业实验教学需求和当前的科研工作，以锂离子电池正极材料磷酸铁锂的水热合成过程为研究对象，设计了包含材料制备、表征、性能测试等多个基础实验环节的专业综合型实验。

其特点是：指导学生完成材料合成过程中系列样品的取样点的设计，有利于学生形成科学的研究思路；对系列样品进行晶体结构与形貌的比较与分析，强化了材料科学基础理论的应用教学。

该实验课程突出强调了培养学生观察、思考、分析和解决问题的能力，使学生充分了解了科学研究的基本步骤和方法。

该实验简单实用的取样设计、综合的分析方法，对于其它功能材料的研究与教学同样具有参考价值。

关键词：教学实验；晶体结构；晶体形貌；磷酸铁锂；水热合成中图分类号：G642.423 文献标识码：B doi:10.3969/j.iwn.1672-4305.2016.05.002Experimental design on synthesis and characterizations of LiFeP〇4as positive material for lithium ion batteryOU Xiu-qin，L1ANG Jin-sheng，L1ANG Xiu-hong，L1ANG Guang-chuan，DING Yan，WANG Li，TANG Qing-guo(1. Institute of Power Source and Ecomaterials Science; 2.Key Laboratory of Special Functional Mate­rials for Ecological Environment and Information，Ministry of Education，Hebei University of Technolo­gy，Tianjin300130，China)Abstract ：Along with combining the research topic and the experimental teaching of functional materi­al，the comprehensive practical course was designed，including basic procedures like sample prepara­tion，characterization and performance testing etc.Lithium iron phosphate，the positive electrode mate­rial prepared by hydrothermal synthesis for lithium ion battery，will be used as the object throughout the course.The feature of this scheme is that the students will be asked to design sampling points of a series sample，which will be help to achieve the systematic scientific research methodology.Structures and morphologies of a series of samples will be analyzed and compared，which will enhance the ability of applying the basic theories of material science into practical.The synthetic experimental course high­lights the development of the ability of observing the experiments，thinking，and analyzing and solving problems which is helpful for the students to realize effectively the basic procedure and method of sci­entific research.The method of simple，practical sampling and the method of comprehensive analysis also have references to the other functional material research and teaching.Key words ：teaching experimental;crystal structure;crystal morphology；lithium ion phosphate;hy­drothermal synth e si s基金项目：教育部材料教学工程地方高校第一批本科专针对21世纪国家对能源环境材料高新技术产业业综合改革试点项目（项目编号:Z G0034)。

拿敢堂科f及创新型人才的重大战略需求，河北工业大学于2011 年获教育部批准成立功能材料本科专业。

功能材料 是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生 物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术 等高技术领域和国防建设的重要基础材料。

功能材 料专业教学的特点是既有对传统材料科学与工程技 术的基础理论的继承，更有向综合型和交叉性学科方 向的拓展。

探索并开发出具有鲜明特色的专业实验 课程，成为功能材料本科教学中的重要环节[1_4]。

锂离子电池是近二十多年来发展迅速的产业，已在新能源汽车、储能、电动工具、电动自行车等行 业得到广泛的应用。

锂离子电极材料的技术水平决 定着电池的技术水平，材料的制备和表征是电极材 料研究和应用中的重要内容。

目前电池材料研究和 应用领域的人才市场情况是，本科生的理论与实践 水平与产业要求还有很大的差距，主要原因是目前 本科生教学中，材料分析与表征技术，如X-射线衍 射分析（XRD)、扫描电子显微镜分析（SEM)、透射 电子显微镜分析（TEM)等实验教学环节，实验的设 计常常是单一性的、验证性的,不能有效激发学生的 兴趣。

各种表征手段之间缺乏互证性，不利于培养 学生整体性思考和系统性分析问题的能力。

因此，需要开发出与当前科研和社会发展紧密结合的内容 充实到实验教学中。

磷酸铁锂是锂离子电池正极材料之一,是近二 十年来新能源材料领域研究和应用的热点。

工业上 其合成工艺路线有固相法[5]和水热法[6]。

其中，水 热合成技术因反应物处于分子水平混合，产物更加 均勻。

又由于水热反应的均相成核及非均相成核机 理与固相反应的扩散机制不同，因而可以创造出其 它方法无法制备的新化合物和新材料，已成为当今 制造高性能高可靠性功能材料的一种具有竞争性的 方法[7-9]。

结合本教研室和课题组的科研内容，我 们开发了有关锂离子电池正极材料的合成与表征的 综合型实验课，主要内容包括磷酸铁锂的水热合成、中间产物和最终产物的结构与形貌表征、材料的碳 包覆和电化学性能测试。

本实验的特点是设计了升 温段和保温段多个取样点，得到一系列的样品，这 样，可对系列样品进行不同表征手段的综合分析，实 现不同表征手段之间的互证与互补，还可使学生基 本掌握X R D分析在材料科学中的四大应用:晶体结 构研究、物相分析、精细结构研究、晶体取向研究及 多晶织构测定[10]。

从样品制备到综合表征,可使学 生的综合分析问题的能力得到锻炼和提高。

这样的 研究性思维方法，不仅在该实验中，也会对学生在今后从事生产和科学研究中有所启迪。

1实验1.1仪器、设备、试剂和材料Rigaku D/MAX-2500X型转靶X射线多晶体衍 射仪,Rigaku S-4800型场发射扫描电子显微镜，威 海自控WHF-5L高压反应釜，管式炉，LAB2000手 套箱，武汉LAND(CT2001A)恒电流充放电仪，烧 杯、抽滤瓶、滤纸、布氏漏斗、恒温干燥箱、瓷舟和对 辊机等。

一水氢氧化锂（Li0H，H20) (A R)、85%磷酸 (H3P04)(A R)、七水硫酸亚铁（FeS04.7H20) (A R)、葡萄糖(A R)、乙炔黑（电池级）、聚四氟乙烯 乳液（电池级）、锂片（电池级）、聚丙烯微孔膜（Cel-gard2300)，电解液为 1m〇l/L 的 LiPF6/( EC:DMC: EMC)(体积比 1:1:1)。

1.2实验内容1.2.1磷酸铁锂（LiFeP04)的水热合成反应物的浓度以亚铁离子的浓度计，为0.5mol/ L，反应釜的填充度为0.7〜0.8。

将Li0H.H20、H3P04、FeS04.7H20按摩尔比3 :1 :1的配比分别用 去离子水溶解，在搅拌下依次加人反应釜内,升温至 160T!，反应 6h。

表1取样条件及样品编号取样条件样品编号酸碱中和后Li3P04三种原料混合后P-30120丈P-120130丈P-130135丈P-135升温段140丈P-140150丈P-150160 丈，0h L F P-0160 丈，0.5h L F P-0.5160 丈，1h L F P-1160 丈，2h L F P-2保温段160 丈，3h L F P-3160 丈，4h L F P-4160 丈，6h LFP-6在升温和保温过程中，通过反应釜的针形阀取 样。

取样点及样品编号列于表1。

最后，通冷却水将反应温度降至80丈以下，打 开反应釜，将物料用布氏漏斗抽滤，并用与母液等体 积的去离子水洗涤3遍，放人干燥箱于120丈烘干。

升温段和保温段所取样品同样进行过滤、洗涤、烘干欧秀芹，等:锂离子电池正极材料合成与表征教学实验设计5PDF #74-0358 Li3P 〇4______I _i in I i m i i i 11 i u n i h i m I i i i i i i i i i i i i i i i i i i i m i n i i i i i i i i i n1020304050 60 70 8020/°图1升温阶段样品的X R D 图谱对图1进行比较与分析，可以找出随温度升高物相的变化规律。