能量密度躍升的關(guān)鍵：詳解高壓實磷酸鐵鋰的兩步燒結(jié)法

磷酸鐵鋰（LiFePO4）憑借其低成本、長壽命、高穩(wěn)定和安全等優(yōu)點，已成為應(yīng)用于新能源汽車動力電池和儲能電站等領(lǐng)域的主流正極材料之一。磷酸鐵鋰的理論壓實密度可達2.6-2.8g/cm3，然而，常規(guī)固相法或碳熱還原法合成的產(chǎn)品，其壓實密度多在2.2-2.4g/cm3之間，嚴重限制了電池單體的體積能量密度。

高壓實磷酸鐵鋰（通常指壓實密度≥2.6g/cm3）意味著在同等體積內(nèi)可填充更多活性物質(zhì)，從而顯著提升電池的續(xù)航里程或儲能容量。此外，高壓實電極片具有更低的孔隙率，有助于改善顆粒間的電接觸，降低內(nèi)阻，提升倍率性能。

近年來，隨著儲能電池和動力電池對能量密度、快充性能等要求的提升，行業(yè)對高壓實磷酸鐵鋰材料的需求持續(xù)增長。然而，其規(guī)模化生產(chǎn)仍面臨工藝復(fù)雜、產(chǎn)品一致性控制難等技術(shù)挑戰(zhàn)。在眾多合成路線中，結(jié)合碳熱還原法與固相法優(yōu)點的兩步燒結(jié)工藝，憑借其對材料晶體結(jié)構(gòu)、顆粒形貌與粒徑分布的精確調(diào)控能力，成為實現(xiàn)高壓實密度量產(chǎn)的有效途徑。

01 核心工藝：兩步燒結(jié)法

兩步燒結(jié)法工藝通過兩步熱處理，可以實現(xiàn)對材料晶體結(jié)構(gòu)重筑、粒徑控制與形貌修整的有效調(diào)控，是達成高壓實密度的核心。其基本流程如下：

預(yù)燒結(jié)：將鋰源、鐵源（磷酸鐵）及碳源等原料混合、砂磨至納米級粒度后，進行噴霧干燥造粒，隨后在特定溫度下進行第一次燒結(jié)，生成磷酸鐵鋰初生晶體。

二次燒結(jié)：將預(yù)燒產(chǎn)物經(jīng)過破碎后，進行濕混，補充碳源、鋰源等，并通過砂磨進行精確的粒度級配。混合物料再次經(jīng)噴霧干燥后，進行第二次燒結(jié)，最終得到成品。

02 影響材料性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)

研究表明，多個工藝參數(shù)對最終材料的壓實密度和電化學(xué)性能具有決定性影響。

預(yù)熱溫度

預(yù)燒溫度是影響材料結(jié)晶度和晶粒大小的關(guān)鍵。溫度升高有助于提升壓實密度，但過高的溫度會導(dǎo)致磁性雜質(zhì)（如Fe?P）的生成，嚴重損害材料的電化學(xué)性能。因此，存在一個最佳預(yù)燒溫度窗口，以在保證高密度的同時避免有害雜質(zhì)的產(chǎn)生。

分散劑用量

分散劑（如聚乙二醇）能促進導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)的均勻分散，形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。其用量存在一個最優(yōu)值。適量添加能提升壓實密度；而過量則會在高溫下產(chǎn)生過多氣體，導(dǎo)致碳包覆不均、材料形成多孔結(jié)構(gòu)，反而降低壓實密度。

碳包覆比例

碳源（如葡萄糖）在過程中既作為還原劑，又將無定形碳均勻包覆在顆粒表面。適量的碳包覆能抑制晶粒過度生長，使顆粒形貌圓潤，并提高導(dǎo)電性，從而有益于壓實密度。然而，過量的碳會使材料結(jié)構(gòu)疏松，對壓實密度的提升效果減弱甚至產(chǎn)生負面影響。

燒結(jié)溫度

二次燒結(jié)溫度直接影響最終產(chǎn)品的結(jié)晶度和顆粒生長。溫度升高能促進小顆粒溶解和在大顆粒表面的再生長（奧斯瓦爾德熱化），優(yōu)化顆粒堆積，從而提升壓實密度。但當溫度超過一定范圍后，對密度的提升效果趨于平緩，且會增加能耗，因此需選擇綜合最優(yōu)的燒結(jié)溫度。

粒度級配

這是實現(xiàn)高壓實密度的核心技術(shù)之一。通過將不同粒徑的預(yù)燒顆粒按特定比例混合，可以實現(xiàn)顆粒間的緊密堆積，最大限度地減少空隙率。研究表明，采用適當比例的大顆粒與小顆粒進行搭配，能顯著提高粉體的壓實密度。

氣流粉碎工藝

燒結(jié)后的粉碎工藝對最終產(chǎn)品的物理特性有關(guān)鍵影響。優(yōu)化給料頻率、分級頻率和磨體壓力等參數(shù)，可以獲得粒徑分布更集中、表面狀態(tài)更佳的成品材料，有助于實現(xiàn)最高的壓實密度。

03 小結(jié)

綜上所述，兩步燒結(jié)法通過其精巧的工藝設(shè)計，特別是對粒度級配和分段溫度控制的精準把握，成功解決了高壓實磷酸鐵鋰量產(chǎn)中的均一性與穩(wěn)定性難題，為高性能鋰離子電池的材料開發(fā)提供了可靠的技術(shù)路徑。

參考來源：

1.王敬超等《高壓實納米磷酸鐵鋰材料合成工藝研究》

2.王長偉《高壓實密度磷酸鐵鋰正極材料的工程技術(shù)應(yīng)用研究與展望》