新能源的不断开发和利用是人类社会可持续发展的基础。目前，对于绝大部分的新能源（风能、太阳能、潮汐能等）来说，其非连续性使得人们必须使用大容量储能装置将这些间歇性的能量储存起来，随后再均匀连续地供人们使用。因此，对大型储能装置的能量密度提出了更高的要求。与其它储能装置相比，锂离子电池具有环保、高效的特点而受到关注。在小型储能装置方面，锂离子电池以其高能量密度、低自放电率、使用温度范围宽、循环寿命长、无记忆效应、环保等优点已被广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子设备。与此同时，在中型储能装置方面，如电动汽车电源等，大容量锂离子电池也具有非常广泛的需求和应用空间。
锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔离膜等四部分组成。由于正极在锂离子电池中占有较大的比例，因此正极材料和正极的制备是提高电池能量密度的主要因素，其成本也直接决定电池成本。对于诸多正极材料而言，铁基化合物除价格低廉、原料储量丰富外，最大的优点是无毒。在铁的磷酸盐系列化合物中，LiFePO4具有能量密度高、放电电压稳定、循环性能、高温性能和安全性能优良等特点，是理想的正极材料。传统辊压式LiFePO4正极片制备流程包括混合LiFePO4正极材料、导电剂、粘合剂制浆→涂布→辊压→切割→干燥，最终获得LiFePO4薄膜极片。该工艺流程复杂，需要多种工艺设备，电极制造成本高。最重要的是，制备传统辊压式LiFePO4薄膜电极需大量的低密度导电剂、铝箔和绝缘聚合物胶，这些非活性物质的大量引入显著降低了所制备电极以及由此种电极组装成电池的能量密度。
从2008年开始，沈阳材料科学国家（联合）实验室高性能陶瓷材料研究部王晓辉博士等在前人研究结果基础上，针对此前尚未完善的LiFePO4水热合成机理以及传统辊压式LiFePO4薄膜电极存在的问题，开展了LiFePO4水热合成机理的研究，在深入理解机理的基础上，实现了LiFePO4晶粒尺寸、形貌以及缺陷浓度的有效控制，并制备出超高比容量多孔导电LiFePO4块体电极。初步的研究结果归纳如下：
1．LiFePO4片状微晶的水热合成机理
水热方法合成出的LiFePO4材料具有低温、低成本、无污染、电化学性能优异等优点。然而，此前人们对水热合成LiFePO4的机理尚不清楚。王晓辉博士等系统地研究了水热合成过程中系统内部的原位温度变化、pH值变化、前躯体在水热过程中物相演变过程。结合红外光谱分析，表明在前躯体中存在一种无定形化合物偏磷酸亚铁。该化合物在水热过程逐渐水解从而导致水热系统的pH值逐步下降。此前，水热方法合成LiFePO4过程中，pH值的下降一直困扰着研究者。
通过降低前躯体的过饱和度、引入形核质点以及对反应速率的精确控制，综合推断出水热合成LiFePO4属于溶解-沉淀机制。该研究为下一步低成本合成性能优异的LiFePO4提供了有力的理论指导。
2．LiFePO4纳米晶水热合成机理及Li/Fe反位缺陷控制机制
提高水热合成LiFePO4粉末的电化学活性是一个非常重要的技术问题，学术界对此非常关注。此前研究表明，颠倒原料的添加顺序或者引入乙二醇能够显著提高水热合成LiFePO4粉末的电化学活性，但提高机制尚不清楚。本研究深入剖析了水热合成过程，揭示了两种不同的添加顺序获得的前驱体，在水热条件下溶解速率的迥然差异是影响产物颗粒大小的决定性因素。在乙二醇存在的情况下，乙二醇优先在LiFePO4{010}面上吸附，从而抑制LiFePO4晶粒沿[010]方向生长。与此同时，乙二醇在降低 Li/Fe 反位缺陷浓度方面作用明显。反位缺陷浓度的降低很容易地通过PO4四面体中P-O对称伸缩振动模的红移来指示。这使450 g/L的高产出和165 Ah/kg（理论容量170 Ah/kg）的高放电容量成为可能。
3. 超高比容量多孔导电LiFePO4块体电极的制备
传统LiFePO4正极片的制备流程复杂，需要粘合剂及多种工艺设备，电极制造成本高。另外，由于大量使用非活性物质，极片容量低。本研究提出多孔导电LiFePO4块体电极的概念，在不使用任何粘合剂的情况下制备出多孔导电LiFePO4正极板。新方法工艺简单、电极板制造成本低，大幅度缩短了传统工艺流程，解决了常规制备工艺流程复杂，需要多种工艺设备以及价格昂贵的粘合剂和溶解粘合剂的有机溶剂等问题，制备出的块体电极具有超高的体积比容量(>500 Wh/L）和稳定的循环寿命。
上述研究结果陆续发表在 J.Phys.Chem.C 114,16806-16812 (2010)；J.Mater.Chem.,21,12444-12448 (2011)；Phys. Chem. Chem. Phys.,14,2669-2677 (2012) 等期刊。本项研究已申请中国发明专利5项，其中两项已获授权。
以上研究得到中国科学院“优秀博士学位论文、院长奖获得者科研启动专项资金”和金属所“引进优秀学者”项目的资助。
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