[发明专利]由磷铁制备电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及由磷铁制备电极材料的方法，尤其低成本电极材料的方法，属于材料和电化学领域。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，人们对能源的依赖越来越大，而传统的化石燃料日益枯竭和人们的环保意识逐渐增强，环境友好的绿色新型能量存储和转换器件及装置引起了世界各国的高度重视，投入了大量的人力和物力进行研究，争相开发以电动车、动力工具和大型储能装置等为代表的新能源。目前电极材料是阻碍该类能源快速发展的一个关键瓶颈，而材料价格无疑是限制其大规模应用的一个致命因素。同时含有P和Fe元素的电极材料，尤其Li_xFe_yPO₄或Fe_zP等，具有很多独特的优异性能，有望在环境友好的新能源发展中大显身手，得到广泛应用。

Li_xFe_yPO₄电极材料主要包括LiFePO₄和Li₃Fe₂(PO₄)₃及其复合物等，是一类很有潜力的新型绿色能源电极材料。鉴于Li_xFe_yPO₄独特的优点和Li_xFe_yPO₄能量转换与储存器件(尤其锂离子电池和超级电容器等)的极大市场空间，世界各国商业机构和科研院所争相进行研究，从不同方面提高电极材料的性能和降低其成本。然而，由于受生产技术、工艺路线和原料成本的瓶颈限制，市场上商业化的LiFePO₄的产量不是很大，仍存在价格过高、原料成本高(多采用醋酸或草酸等亚铁盐的还原气氛)、制备工艺不很成熟、性能不稳定、电子导电率低(约10^-9～10^-10S/cm[Nature Mat.2，(2002)123]和振实密度低(约1.3～1.5g/cm³)等的不足，制约了其市场的快速发展。另外，材料在使用过程中存在与铝集流体不能牢固粘结的问题，能量密度、循环性能和倍率特性需要进一步提高。

现在制备LiFePO₄和Li₃Fe₂(PO₄)₃及其复合物等采用的方法有：高温固相法、水热还原法、溶胶-凝胶法、共沉淀法和微波合成法和机械合成法等，但是这些方法都存在一个共同的问题：采用含有一种金属的盐或金属单质作反应物，而且大多用亚铁盐原料，对纯度要求较高，另外还要加入特定元素来掺杂改性提高性能，反应步骤较多，操作较麻烦，成本较高。

Fe_zP是一类新型的锂离子电池负极材料，包含多种系列，具有较低的金属氧化态和较强的金属-磷离子键，有较高的电化学活性[J.Appl.Electrochem.18，(1988)673]，如：FeP₂的理论比电容量能达到1250mAh/g[Electrochem.Solid-State Lett.，6，A162(2003)]，往P-Fe中掺入Co可以明显的改善其电化学性能[中国有色金属学报，14(S3)，341(2004)]。但是，由于目前报道的磷化铁普遍采用单质P和Fe反应制备，对空气比较敏感，都在惰性气氛或密闭条件下进行，因此反应工艺较复杂，条件较苛刻，成本较高。

综上所述，目前制备Li_xFe_yPO₄或Fe_zP等含Fe和P的电极材料的原料都采用单一金属的盐或金属单质，对纯度的要求较高，而且还要通过另外特意添加一定的元素对电极材料进行掺杂改性提高性能，而这些改性元素都来自单一金属的盐或单质，相对又增加了成本，最终形成多种元素共存的电极材料体系，所以普遍存在原料单一、成本高、反应流程长和资源利用率低的共同缺点。如果能直接利用同时含有多种电极材料所需元素的物质作原料，不仅可以拓展电极材料的原料，从源头上改变目前合成材料的常规路线，降低成本，缩短反应流程，提高资源利用率，而且可以不用或减少添加改性元素，节约原料花费，实现降耗节能和资源的综合利用。