实验十 碳热还原法合成LiFePO4

实验十碳热还原法合成LiFePO4/C复合材料随着全球能源与环境危机的不断加剧，作为新型清洁能源的锂离子电池，以其独特的优点而倍受人们的关注。

锂离子电池具有电压高、比能量大、无污染、无记忆效应和寿命长等优点，已被广泛应用于移动电话、数码相机和笔记本电脑等便携式电器装置，同时作为石油的替代能源在电动车及混合电动车上也将大规模应用。

橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）自1997年被Padhi等[1]发现以来，许多学者对其进行了深入的研究。

磷酸铁锂与其它正极材料相比具有以下优点[2-5]：不含贵重元素，原料廉价，资源丰富；工作电压适中（3.4V），平台特性好，电压平稳；理论容量较大（170mAh/g）；结构稳定，安全性能好；高温性能和热稳定性高；循环性能好；与大多数电解液系统兼容性好，储存性能好；无毒。

被认为是极有应用潜力的锂离子电池正极材料，尤其适合动力电池的要求。

一、实验目的
1、学习复合材料的制备过程和原理。

2、了解碳热还原的基本原理。

3、学习固相法合成复合材料的基本过程。

二、实验原理
在高温下用碳还原金属氧化物制取金属的方法。

例如，在高温下用碳还原氧化亚铁可得金属铁：FeO+C─→Fe+CO
其热力学依据是：金属氧化物的生成自由能变化ΔG(MO)是随温度的升高而逐渐增高（负值变小），而一氧化碳的生成自由能变化ΔG(CO)却是随温度的升高而明显降低（负值变大），所以当温度升高到ΔG(CO)-ΔG(MO)＜0时，原来在低温下不能进行的反应变得能够进行。

在合成LiFePO4/C复合材料中，我们可以以有机化合物为碳源，在整个升温合成过程中，有机碳源在一定温度下分解、碳化生成碳，从而提供了还原剂，使得整个反应环境为还原气氛，保证了Fe2+不会被氧化，从而得到纯度很高的磷酸铁锂。

三、实验试剂和仪器
1、实验试剂：三氧化二铁；碳酸锂；磷酸二氢铵；乙醇；柠檬酸，以上均为分析纯。

2、仪器设备：恒温干燥箱；管式炉；行星球磨机；球磨罐；天平；各种玻璃容器等。

四、实验步骤
1、按照化学计量比称取能合成5g复合材料的原料。

柠檬酸添加量为40%。

2、将上述称取的试剂放在球磨罐中，加入适量的无水乙醇，放置行星球磨机上球磨4h，然后将球磨好的原料倒入烧杯于恒温干燥箱中干燥8h。

3、将干燥的后的原料再次在玛瑙研钵中研磨至细，放入陶瓷坩埚，盖盖后置于管式炉中。

4、在高纯氮气为保护气体的气氛下，以5℃/min，升温至350℃后保温6h，然后再以5℃/min，升温至700℃后保温24h，最后随炉冷却。

5、将冷却后的样品进行物相分析。

6、分析和测定材料的真实密度和碳含量。

五、结果分析
1、物相分析结果。

2、材料的真实密度。

3、材料的碳含量。

六、思考题
1、如何确定碳源的分解温度。

2、多余碳是否应该除去，为什么？。