硝酸铁和磷酸共沉淀法制备电池级磷酸铁工艺研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0548

摘要/Abstract

摘要：

以硝酸铁和磷酸为原料，利用共沉淀法制备了电池级磷酸铁，研究了反应温度、反应物浓度、投料比和反应时间对磷酸铁产率和粒径的影响，并通过正交优化得到了最佳的工艺条件：硝酸铁浓度为1.1 mol/L、投料比（磷酸与硝酸铁物质的量比）为1.1、反应温度为90 ℃、反应时间为8 h。采用扫描电镜（SEM）、激光粒度仪、X射线衍射仪（XRD）、热重-差式扫描量热仪（TG-DTA）等对制备的磷酸铁进行表征分析。分析结果表明：在优化条件下得到的二水磷酸铁为单斜晶，纯度高，二次粒径D₅₀为2.41 μm，均符合电池级磷酸铁的要求。以磷酸铁为前驱体制备的LiFePO₄/C性能良好，将其作为正极材料组成的电池在0.05C、0.1C、1C倍率下首次放电比容量分别为143.9、136.8、131.4 mA·h/g。

关键词: 硝酸铁, 磷酸铁, 共沉淀法, 磷酸铁锂, 正交实验

Abstract:

By using ferric nitrate and phosphoric acid as raw materials，the co-precipitation method was used to prepare the battery grade ferric phosphate.The effects of reaction temperature，reactant concentration，feeding proportion and reaction time on the yield and particle size of ferric phosphate were studied，and the optimal process conditions were obtained through orthogonal optimization：the solution concentration of Fe（NO₃）₃ was 1.1 mol/L，the feed ratio of phosphoric acid to ferric nitrate was 1.1，the reaction temperature was 90 ℃，and the reaction time was 8 h.The prepared iron phosphate was characterized by scanning electron microscopy（SEM），laser particle size analyzer，X-ray diffractometer（XRD） and TG-DTA.The analysis results showed that the obtained ferrophosphate dihydrate was monoclinic crystal with high purity and secondary particle size D₅₀ of 2.41 μm，which met the requirements of battery grade ferrophosphate.The performance of LiFePO₄/C prepared by the precursor system of iron phosphate was good.The initial discharge specific capacity of the battery composed of iron phosphate as cathode materials were 143.9，136.8 and 131.4 mA·h/g at 0.05C，0.1C and 1C，respectively.

Key words: ferric nitrate, ferric phosphate, co-precipitation method, lithium iron phosphate, orthogonal experiment

中图分类号:

TQ138.1

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图/表 15

图1

图2

图3

图4

表1

表2

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图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

表4

参考文献 15

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水平	因素
水平	A 反应温度/℃	B 反应物浓度/ （mol·L^-1）	C 投料比	D 反应时间/h
1	80	0.2	1.1	8
2	85	0.5	1.3	9
3	90	0.8	1.5	10
4	95	1.1	1.7	11

实验	实验因素					二次粒径/μm
实验	A	B	C	D	空白实验	二次粒径/μm
1	1	1	1	1	1	4.23
2	1	2	2	2	2	12.2
3	1	3	3	3	3	9.12
4	1	4	4	4	4	2.52
5	2	1	2	4	3	5.95
6	2	2	1	3	4	6.98
7	2	3	4	2	1	9.23
8	2	4	3	1	2	3.86
9	3	1	3	2	4	2.88
10	3	2	4	1	3	2.58
11	3	3	1	4	2	2.87
12	3	4	2	3	1	3.01
13	4	1	4	3	2	3.83
14	4	2	3	4	1	9.06
15	4	3	2	1	4	10.7
16	4	4	1	2	3	2.56
K₁	28.07	16.89	16.64	21.37	25.53
K₂	26.02	30.82	31.86	26.87	22.76
K₃	11.34	31.92	24.92	22.94	20.21
K₄	26.15	11.95	18.16	20.40	23.08
k₁	7.02	4.22	4.16	5.34	6.38
k₂	6.51	7.71	7.97	6.72	5.69
k₃	2.84	7.98	6.23	5.74	5.05
k₄	6.54	2.99	4.54	5.10	5.77
R	4.18	4.99	3.81	1.62	1.33

方差来源	偏差平方和	自由度	方差	F值	F_α	显著性
A	41.67	3	13.89	3.90	F_0.005（1，9）=13.61	*
B	75.03	3	25.01	7.02	F_0.05（1，9）=5.12	**
C	36.50	3	12.17	3.42	F_0.10（1，9）=3.36	*
D	6.09	3	2.03	0.57
误差	10.69	3	3.56
总和	169.98	15

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