刘 严(1986-), 女, 硕士研究生. E-mail:liuyan10502@126.com
在磷酸水溶液中, 以磷铁废渣为阳极、石墨为阴极, 恒流无膜电解后溶液由无色变为黄色, 用氨水调节pH值, 经过滤、洗涤、干燥, 得到淡黄色粉体, XRD和热分析结果表明该粉体组成为FePO4·2H2O. 在电解产物中加入LiOH·H2O和葡萄糖, 用乙醇作溶剂充分研磨形成流变相前驱体, 在700℃氩气气氛中焙烧得到LiFePO4/C复合物. 用动电位极化方法分析了磷铁的电解过程, 用XRD、SEM和循环伏安法(CV)研究了LiFePO4/C复合物的结构、形貌及电化学性能. 测试结果表明LiFePO4/C复合物没有磷铁原料的杂质峰, 氧化电位和还原电位分别在3.54和3.33 V, 说明经过阳极袋电解能够消除磷铁原料中的杂质元素影响及锂离子脱/嵌过程中极化较小.
Fe1.5P waste slag was galvanostatically electrolyzed without separator in a H3PO4 aqueous solution using graphite as the cathode, and the electrolyte color turned from achromatism to yellow after electrolysis. Light yellow powder was finally obtained by adjusting the value of pH using ammonia water, filtering, washing and drying in sequence. The results of XRD and TG-DTA showed that the as-electrolyzed product was FePO4·2H2O. The as-obtained FePO4·2H2O was mixed well with LiOH·H2O and glucose to form a rheological phase precursor by using ethanol as a dispersing agent. LiFePO4/C composite was synthesized successfully by calcining the above precursor at 700℃ in an Ar atmosphere. The electrolysis process was investigated
橄榄石型LiFePO4具有原料丰富、放电平台稳定、热稳定性好、安全性高、环境友好等优点[ 1], 在电动车、动力工具和大规模能量存储等领域备受关注, 而低成本合成是推进其广泛应用的一个关键环节. 传统制备方法主要用单一锂盐、铁盐和磷酸盐通过高温下的碳或氢还原反应得到, 原料很难均匀混合. 为了克服传统方法的缺点、降低混料过程中的原料损失、提高原料的混合均匀度和反应物间的相接触面, 以FePO4同时为铁源和磷源与锂盐的反应备受关注, 也是目前工业化生产LiFePO4的一种主要方法. 2002年Prosini等[ 2]利用溶液共沉淀法制备出纳米FePO4, 其与LiI反应合成了电化学性能良好的LiFePO4; Li等以FeSO4[ 3]和FeSO4废渣[ 4]为铁源, 用碳热还原法合成了具有较好电化学性能的LiFePO4. 目前报道的FePO4都是通过铁盐和磷酸盐反应得到, 亚铁盐需要进一步氧化成铁盐, 原料较贵且工序较多, 导致合成LiFePO4的成本仍比较高.
磷铁是黄磷或钙镁磷肥生产过程中产量较多的一种副产物[ 5], 价格低廉, 杂质种类和含量依矿物和反应工艺的不同而有所差别. 磷铁的密度较大, 纯度可以达到98%以上, 经处理后既可以用作锂电池负极材料[ 6], 而且可以与锂盐和补充磷源经高温反应制备LiFePO4[ 7]. 然而, 直接利用磷铁合成LiFePO4的电化学性能受限于磷铁的纯度、组成和粒度, 对磷铁来源要求非常苛刻, 而磷铁的这些指标在生产过程中又很难保证一致, 是目前利用磷铁废渣亟待解决的一个问题. 流变相法是将反应物调制成固体颗粒和液体物质分散均匀的流变相系后反应制备材料的一种简便方法, 固体微粒悬浮在溶剂中, 相接触充分, 表面利用率高[ 6, 7, 8, 9, 10].
本工作利用电热法黄磷生产的磷铁废渣为原料, 利用阳极袋电解除去原料中的杂质元素, 通过在水溶液中恒流电解制备了高纯度FePO4, 将其与LiOH·H2O和葡萄糖通过流变相法合成了LiFePO4/C复合物, 用XRD、SEM等表征了原料和产物的组成与形貌, 用循环伏安法评价了LiFePO4/C复合物的氧化还原行为.
用DE-2直流电源为电解电源, 分别以放置在丙纶布阳极袋中的电热法黄磷副产磷铁废渣和高纯石墨为阳极和阴极, 在1.0 mol/L磷酸水溶液中恒流电解, 得到黄色溶液, 用氨水调节pH=3, 得到乳白色悬浊液, 经过滤、洗涤、干燥, 得到淡黄色粉末.
采用三电极体系在PAR273A电化学工作站上测试磷铁在磷酸电解液中的动电位极化曲线, 磷铁为工作电极, 石墨为辅助电极, 饱和甘汞电极SCE为参比电极, 扫描速度为5 mV/s.
将上述烘干后的淡黄色电解产物与LiOH·H2O和葡萄糖混合, 加入无水乙醇充分研磨至形成均一流变相前驱体, 经~300℃预烧2 h后, 再在氩气气氛管式炉中~700℃焙烧6 h, 冷却后得到灰黑色蓬松粉状产物.
将上述合成的LiFePO4/C复合物与乙炔黑导电剂和LA132粘接剂按质量比16:3:1进行混合, 加水调制成均一浆料, 均匀涂覆在干净铝箔上, 经100℃真空干燥12 h后, 裁剪成1.2 cm2的电极片用作工作电极, 以金属锂为对电极和参比电极, LiPF6/EC+DMC+EMC(体积比1:1:1)为电解液, Celgard2400为隔膜, 在充满氩气的手套箱中组装成2032模拟扣式电池.
为了考察材料的Li+脱/嵌行为, 在PAR273A电化学工作站上测试模拟电池的循环伏安曲线, 扫描电压区间为2.4 ~ 4.2 V, 扫速为0.1 mV/s.
用XRD(飞利浦χ’pert pro MPD型X射线衍射仪)对材料的晶体结构和组成进行分析, 采用Cu Kα辐射源, 扫描速率为0.04°/min; 用TG-DTA (FRC/T-2型热分析仪, 北京光学仪器厂)分析电解产物中的结晶水含量, 空气气氛下由室温以10 ℃/min升至~850℃; 用SEM(JEOL JSM-5900LV)观察产物的形貌; 材料的氧化还原行为用上述循环伏安法测试. 用高频碳硫分析仪(CS-902, 北京万联达信科仪器有限公司)测试LiFePO4/C产物的碳含量.
图1是磷铁原料的XRD图谱, 与标准图谱比较发现, 磷铁原料的衍射谱中只含有斜方晶系FeP (JPCDS78-1443)和六方晶系Fe2P(JPCDS 01-1200)的峰, 没有其它杂相峰存在, 表明磷铁原料主要是由FeP和Fe2P组成. ICP-AES分析表明Fe:P的原子比为3:2, 结合二者分析结果, 磷铁原料的组成为Fe1.5P[ 6, 7]. XRF 分析含有Ca、Si等微量杂质.
为了分析磷铁的电解过程, 获得最佳的电解工艺条件, 对磷铁在磷酸电解液中进行动电位极化曲线测试, 结果如图2所示. 根据PowerSuite自带软件模拟, 磷铁在磷酸水溶液中的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别是-0.24 V和11.1 A/m2(由于磷铁为多孔材料, 实际面积在电解过程中难以获得, 这里的面积仅指磷铁暴露在电解液中的表观面积). 因此, 磷铁能够在磷酸水溶液中进行电解. 另外, 当电位 E>1.0 V时, 随着电压增大, 电流增加不明显, 说明高电位电解时能耗较高. 所以, 电解磷铁的工作电位不易大于1.0 V, 电流密度不易超过900 A/m2, 文中采用11.1 A/m2电流密度对磷铁进行电解.
![]() | 图2 磷铁在磷酸水溶液中的动电位极化曲线Fig. 2 Potentiodynamic polarization curves of the Fe1.5P in H3PO4aqueous solution |
磷铁Fe1.5P可以看作FeP和Fe2P的混合物, Fe的平均价态为+2价, P的价态为-3价, 电解时作为阳极失去电子, 总的阳极反应方程式为:
由于FeP和Fe2P是固体, 根据Nernst方程计算平衡条件下的阳极电极电位 EA为:
![]() | (1) |
阴极为析氢反应:
平衡条件下的阴极电极电位 EK为:
![]() | (2) |
整个电解电池的电极电位差为:
![]() | (3) |
根据电池反应的热力学方程, 电解电池的反应Gibbs自由能变Δ G为:
![]() | (4) |
由此可见, Δ G与H+活度关系密切, 而活度与浓度成正比关系, 所以电解电池的Δ G随着电解液中H+活度的增大而降低, 从而使电解反应更容易进行, 降低电解过程中的能量消耗, 同时H3PO4为FePO4补充磷源. 考虑到磷酸水溶液中电极材料的极化和补充磷源的量, 选用1.0 mol/L的磷酸水溶液为电解液.
电解产物焙烧前后的XRD图谱如图3所示, 从 图3(a)可知, 没焙烧的电解产物没有明显的衍射峰, 可能是无定形或含有结晶水, 而经600℃空气中焙烧3 h后, 产物的衍射峰变得非常明显(图3(b)), 衍射峰位置与FePO4 (JPCDS 29-0715)的标准图谱完全一致, 不含磷铁原料中FeP和Fe2P的衍射峰, 说明磷铁电解后的产物经焙烧后转变为六方层状结构FePO4.
![]() | 图3 (a) 未焙烧, (b) 600℃空气中焙烧3 h电解产物的XRD图谱Fig. 3 XRD patterns of the electrolytic products (a) uncalcined and (b) calcined at 600℃ in air for 3 h |
为了确认电解产物中是否含有结晶水, 对电解产物进行TG-DTA热分析, 结果如图4所示. 由图中曲线可以看出, 电解产物在100℃~200℃失重较多, 说明电解产物中含有结晶水. DTA曲线在127.6℃有一个明显的吸热峰, 表明电解产物中的结晶水开始失去. 因此, 127.6℃以下的失重主要来源于物理吸附水的脱去. 随着温度上升至450℃左右, TG曲线趋于稳定, 说明结晶水完全脱去. 在127.6~450℃之间的失重约为20.4%, 根据计算, 得出结晶水个数约为2.13. 结合上述XRD分析结果, 电解产物的 化学式为FePO4·2H2O, 从而失重方程式可写为:
基于上述分析结果, 磷铁Fe1.5P在H3PO4水溶液中的电解反应方程式为:
反应过程中, 只有磷铁和H3PO4水溶液消耗, 产物只有FePO4·2H2O和H2, 容易分离, 而且大量H2可以作为清洁能源富集利用.
基于上述电解产物FePO4·2H2O, 添加LiOH·H2O( n(Fe): n(P): n(Li)=1:1:1)和葡萄糖合成的LiFePO4/C的XRD图谱如图5所示. 产物的衍射峰比较尖锐, 说明产物的晶型较好. 经碳硫分析仪测试产物的碳含量约为4.30wt%, 而XRD图中没有碳的明显特征峰, 说明产物中的碳可能以无定形形态存在[ 11].
![]() | 图5 由电解产物合成的LiFePO4/C的XRD图谱Fig. 5 XRD pattern of the as-synthesized LiFePO4/C from the electrolytic product |
通过JADE5.0软件分析, 衍射峰位置与LiFePO4的标准图谱(JPCDS 40-1499)一致, 2 θ在17.1°、20.7°、25.5°、29.6°和35.5°处的主峰分别对应(020)、(011)、(111)、(121)和(131)面, 表明产物是纯相的橄榄石型LiFePO4[ 7, 12, 13]. 利用X射线衍射图的晶面指标计算出的晶胞参数为 a=0.6012 nm, b=1.0350 nm, c=0.4695 nm, 晶胞体积为 V=0.29213 nm3, 与标准样的0.6019 nm×1.0347 nm×0.4704 nm非常接近. 根据谢勒公式
图6为合成的LiFePO4/C复合材料的SEM照片, 产物有大量细小颗粒团聚而成, 粒子表面包覆着颜色较浅的絮状物, 可能是蔗糖分解的碳层, 与文献[ 14, 15, 16]报道一致.
图7是制备的LiFePO4/C复合物在0.1 mV/s时的循环伏安曲线, 曲线较平滑, 在3.54和3.33 V有一对明显的氧化峰和还原峰, 分别对应着LiFePO4中锂离子的脱出和嵌入引起的氧化反应和还原反应, 与文献报道一致[ 7, 12, 13]. 曲线中没有其它杂峰出现, 说明磷铁原料中的杂质元素经阳极袋电解后对LiFePO4/C产物的氧化还原行为没有影响. 另外, LiFePO4/C的氧化峰和还原峰的电位差值是0.21 V, 说明合成的LiFePO4/C在锂离子脱嵌的过程中极化比较小.
在1.0 mol/L磷酸水溶液中恒流无膜电解磷化工副产物磷铁Fe1.5P废渣, 通过用氨水调节pH值制备了纯相FePO4, 利用动电位极化方法探讨了电解过程机理, 磷酸的加入有利于降低电解过程的能耗并补充不足的磷, 采用阳极袋消除了磷铁中的杂质对产物的影响, 用TG-DTA分析了电解产物中的结晶水含量. 基于电解产物, 分别以LiOH·H2O为锂源和葡萄糖为碳源, 采用流变相法成功合成了较好晶型的LiFePO4/C复合物, XRD衍射峰与标准图谱接近, 晶胞参数为 a=0.6012 nm, b=1.0350 nm, c=0.4695 nm, 晶胞体积为 V=0.29213 nm3, 平均晶粒粒径为35.3 nm, 产物由大量细小颗粒团聚而成. 循环伏安分析结果表明其氧化电位和还原电位分别在3.54和3.33 V, 锂离子在脱/嵌过程中的极化较小.
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|