新工艺：用微波炉生产电池正极材料磷酸钴锂！

导读

最近，德国慕尼黑工业大学 Jennifer Ludwig 博士开发出一种快速、简便、低成本的工艺，高质量地制造出富有前景的电池正极材料磷酸钴锂。

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背景

时下，电动汽车、智能手机、平板电脑、可穿戴设备等电子产品越来越深入我们的生活。然而，电池始终是影响一系列电子产品性能和用户体验的关键因素。更高的电池容量，对于电动汽车来说意味着更远的行驶距离，对于智能手机等电子产品来说则意味着更长的运行时间。

创新

（图片来源: Andreas Battenberg / TUM）

最近，德国慕尼黑工业大学（TUM）Jennifer Ludwig 博士开发出一种快速、简便、低成本的工艺，高质量地制造富有前景的电池正极材料磷酸钴锂。该化学家因为这项工作成就，获得了赢创研究奖 （Evonik Research Prize ）。

技术

（图片来源: Andreas Battenberg / TUM）

Jennifer Ludwig 将一种粉末倒入玻璃碗，该粉末在实验室灯下发出粉红色光。这种粉末未来将极大地提高电池性能。她解释道：

“比起传统的正极材料，磷酸钴锂存储的能量多很多。”

Jennifer Ludwig 工作在创新材料合成和表征专业教授 Tom Nilges 的小组。她开发出的工艺以最小的能量和最高的质量，快速生产出这种粉红色粉末。

电池研究人员将磷酸钴锂当作未来的材料已有一段时间。它的运行电压，比传统使用的磷酸铁锂材料更高，从而可获取更高的功率密度（每千克800瓦小时，而不是低于600瓦小时。）

然而，之前生产高电压正极材料，需要在恶劣化境（800摄氏度高温）下，采用非常复杂、能量密集型、效率低下的工艺。Ludwig 报告称：

“这些条件下形成的晶体尺寸各异，且必须在一秒钟之内磨成纳米晶粉体，是一种能源密集型的生产步骤。”

更进一步说，由此产生出的晶体仅在一个方向上，具有足够的离子导电率。对于大部分的表面来说，电池电极材料与电解质之间的化学反应进展得非常缓慢。

Jennifer Ludwig 开发的微波合成工艺一次性解决了以上所有问题：获取高品质的磷酸钴锂仅仅需要一只微波炉和30分钟时间。反应物和溶剂一起放置在聚四氟乙烯（Teflon ）容器中，然后被加热。仅仅600瓦就足够达到刺激晶体形成的250摄氏度。

（图片来源: Andreas Battenberg / TUM）

该工艺产出的扁平薄片的测量直径小于1微米，厚度只有几百纳米，具有指向表面的最大导电率轴线。Ludwig 解释道：

“这种形状保证了更好的电化学性能，因为锂离子只需在晶体内部移动很短距离。”

（图片来源: Katia Rodewald / TUM）

在实验过程中，她也解决了另外一个问题：在超过200摄氏度的温度和压力下，会偶尔形成一种至今未知的、复杂的氢氧化钴磷酸氢盐（cobalt hydroxide hydrogen phosphate）化合物。

Jennifer Ludwig 成功地阐明了反应机理，分离出化合物，并且确定其结构和特性。由于新的化合物不适合作为电池材料，她修改了该反应，从而只生成想要的磷酸钴锂。

价值

Nilges 教授表示：

“通过这种新型生产工艺，我们现在能够生产出具有定制特性的高性能、薄片状的高质量磷酸钴锂晶体，从而扫除了通往新型高电压材料的道路上更远的障碍。”

参考资料

【1】https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/34233/

【2】Co₁₁Li[(OH)₅O][(PO₃OH)(PO₄)₅], a Lithium-Stabilized, Mixed-Valent Cobalt(II,III) Hydroxide Phosphate Framework; Jennifer Ludwig, Stephan Geprägs, Dennis Nordlund, Marca M. Doeff, and Tom Nilges;
Inorg. Chem., 2017, 56 (18), pp 10950–10961 – DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b01152

【3】Morphology-controlled microwave-assisted solvothermal synthesis of high-performance LiCoPO₄ as a high-voltage cathode material for Li-ion batteries; Jennifer Ludwig, Cyril Marino, Dominik Haering, Christoph Stinner, Hubert A. Gasteiger, Tom Nilges. Journal of Power Sources, Vol. 342, 28 February 2017, Pages 214-223

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