Microwave-assisted hydrothermal synthesis of LiFePO4, characterization and tests as cathodes for lithium ion batteries

Different routes for lithium iron phosphate (LiFePO4) synthesis were studied in a microwave-assisted hydrothermal system in order to reduce the time and temperature of synthesis in relation to the traditional methods of obtaining this compound. For the synthesis of LiFePO4 different mixtures of precursor materials were investigated maintaining the molar ratio Li: Fe: P = 3: 1: 1. In the step of time and synthesis temperature optimization, heating times of 5 to 40 min and temperatures of 100 to 200 °C were investigated. Based on the structural characterization results, by Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffractometry, it was found that from 10 min at 200 °C it was possible to obtain pure and crystalline LiFePO4, with particle size of 57 to 165 nm, verified by scanning electron microscopy micrographs. Cyclic voltammetry for the five best samples showed the typical voltammetric profile of the LiFePO4 with good reversibility; three of the samples selected showed high electrochemical activity, which was reflected in good values of specific capacity. In the characterization by electrochemical impedance spectroscopy, an inversely proportional relation between total impedance and values of specific capacity was verified. The sample with the best electrochemical performance presented a value of 168 mA h g-1, at discharge rate of C/10, corresponding to 99% of the specific theoretical capacity of LiFePO4. A capacity retention of 74% was verified after 100 cycles of charge - discharge at C/2, which was related to the electrolyte contamination by water, attributed to the presence of moisture in the chamber where the electrochemical cells were assembled.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Diferentes rotas de síntese do fosfato de ferro litiado (LiFePO4) foram estudadas em sistema hidrotermal assistido por microondas, com o intuito de diminuir o tempo e a temperatura de síntese com relação aos métodos tradicionais de obtenção desse composto. Para essa síntese foram investigadas diferentes misturas de materiais precursores, mantendo-se a proporção molar Li:Fe:P = 3:1:1. Na etapa de otimização do tempo e temperatura de síntese, foram estudados tempos de aquecimento de 5 a 40 min e temperaturas de 100 a 200 °C. Com base nos resultados de caracterização estrutural, por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e difratometria de raios X , verificou-se que a partir de 10 min a 200 °C foi possível obter o LiFePO4 na sua forma pura e cristalina, com tamanhos de partícula de 57 a 165 nm, verificados pelas micrografias de microscopia eletrônica de varredura. Na caracterização por voltametria cíclica das cinco melhores amostras obtidas, verificou-se o perfil voltamétrico típico do LiFePO4 com boa reversibilidade, sendo que três das amostras selecionadas apresentaram alta atividade eletroquímica, o que se refletiu em bons resultados de capacidade específica. Na caracterização por espectroscopia de impedância eletroquímica, verificou-se uma relação inversamente proporcional entre impedância total e valores de capacidade específica. A amostra com melhor desempenho eletroquímico apresentou um valor de 168 mA h g-1, na taxa de descarga de C/10, que corresponde a 99% da capacidade específica teórica do LiFePO4. Nesse caso a retenção de carga foi de 74% após 100 ciclos de carga e descarga a C/2, o que foi relacionado à contaminação do eletrólito por água, atribuída à presença de umidade na câmara onde as células eletroquímicas foram montadas