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近年来,储能和动力等领域的锂离子电池需求量飞速增长。磷酸铁锂(LiFeP04)因稳定性高,循环性能良好、安全环保、成本低、性价比高等优点,逐渐成为新电极材料的典型代表。通过掺杂可以改善磷酸铁锂的电性能,但掺杂均匀性却得不到有效改善。本论文通过将磷酸铁锂多离子掺杂前置至磷酸铁的合成阶段,制备了掺杂均匀的磷酸铁,以钛白粉副产品——硫酸亚铁为铁源,将此技术产业化,不仅实现了废副产品综合利用和循环经济,并且以多离子掺杂磷酸铁为原料制备的磷酸铁锂的电性能得到有效提高。具体研究如下:本论文寻找了一条在醇水体系中,温和条件下易于产业化的多离子掺杂电池级磷酸铁的制备路线,对制备的多离子掺杂磷酸铁进行了研究和客户应用评价,并对此技术进行了 5000吨/年的规模产业转化。具体研究内容如下:在醇水体系中制备了多孔状、不同比表面积、杂质含量较低的磷酸铁,特别是用乙醇代替氢氧化钠,避免了 Na+的引入。通过正交实验得出不同颗粒磷酸铁制备的最佳条件。在本实验条件下制备的磷酸铁为含2个结晶水的单斜晶型,结晶水的失水温度在150～160℃,磷铁摩尔比近似为1:1,当磷酸铁的粒度较细时,其杂质硫含量相对较高,其原因有待后续工作继续研究分析。在离子状态下将Ti、Mn、Mg取代Fe,成功制备多离子均匀掺杂的电池级磷酸铁。Ti、Mn、Mg多离子掺杂后,掺杂磷酸铁颗粒变小,比表面积增大,提高了其化学活性,且多离子掺杂进入磷酸铁晶格,增大了晶面间距,有利于Li+的脱嵌,提高了磷酸铁锂的电化学性能。但多离子掺杂的磷酸铁磷铁摩尔比逐渐增加,硫含量逐渐增加,原因是由于掺杂的多离子取代Fe位时会结合更多的P,导致产品中P含量的增加。采用掺杂Ti、Mn、Mg多离子电池级磷酸铁为原料在干式研磨条件下制备磷酸铁锂,不仅提高了电化学性能和能源利用效率,还能避免后期因少量掺杂带来的混料和掺杂困难的问题。0.5%Ti掺杂量的多离子掺杂磷酸铁锂电池的放电容量和循环性能均为最优。其在0.2C倍率下的放电容量达到169mAh/g,循环150次后,容量保持率在97.42%。这是因为Ti、Mn、Mg多离子掺杂进入磷酸铁晶格中,使得磷酸铁晶面间距变大,增大了 Li+脱嵌通道,有利于Li+的脱嵌。采用此种掺杂的磷酸铁制备磷酸铁锂的电化学性能无疑会有所提高。对5000吨/年Ti、Mn、Mg多离子掺杂磷酸铁进行了产业化设计和实施,此技术可以在生产线上生产2种规格的磷酸铁,即多离子掺杂磷酸铁和未掺杂磷酸铁。多离子掺杂磷酸铁产品特征为:产品一次颗粒为类球形,一次粒径为30～50nm,单斜晶型,在600℃下焙烧有晶型转变的突变点;多离子掺杂磷酸铁的P:Fe(mol)为1.04左右,Ti含量在0.5%,Mn含量0.05%,Mg含量0.02%。D50在3μm左右,Dmax在15μm以下,SSA大于80m2/g。未掺杂磷酸铁产品特征为:产品的一次颗粒为球形,一次粒径在1OOnm以下,单斜晶型,高温下焙烧有晶型转变,但无突变点;未掺杂磷酸铁的P:Fe(mol)为1.02左右,其它杂项含量较少,未检测出。D50在10μm以上,Dmax大于40μm,BET小于70m2/g。两种规格4个批次的样品经客户试用后,多离子掺杂磷酸铁制备的磷酸铁锂扣电池在0.2C下的放电容量均在155mAh/g以上,首次充放电比大于97%,首效比较高,1C放电容量绝大部分都在145mAh/g以上,低温性能良好。未掺杂磷酸铁制备的磷酸铁锂扣电池各项指标均低于多离子掺杂情况。多离子掺杂对提高磷酸铁锂的电化学性能有积极的作用。