[发明专利]一种均分散球形磷酸铁锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于绿色能源材料领域。特别涉及一种用作锂离子电池正极材料的高密度球形磷酸铁锂制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种绿色高能电池，具有电压高、能量密度大、循环性能好、工作温度范围宽等优点，目前已被广泛应用于笔记本电脑、移动电话、电子仪表、便携式电动工具等设备中，在电动车和混合动力车中也有良好的应用前景。锂离子电池作为一种绿色高能电池，在化石能源日益昂贵、环境污染日趋严重的形势下，有着重要的研究价值和良好的应用前途。

正极材料是锂离子电池的重要组成部分，常用的正极材料有LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄。LiCoO₂是唯一大规模商品化的正极材料，综合性能较好，但其存在价格昂贵、毒性较大的缺点。尖晶石结构的LiMn₂O₄成本低，安全性好，但是循环性能较差。橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料已成为国内外的研究热点。

橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料相对与正极材料LiCoO₂、LiMn₂O₄的优点是：成本低廉；充放电平台稳定；循环性能好；结构稳定，高温性能和安全性能好；无毒，环境友好。但LiFePO₄的摧在两个明显的缺点，一是电导率低，导致高倍率充放电性能差；二是振实密度低，因而它的体积比容量也小。这两个明显的缺点影响了这一材料的应用。

为了解决磷酸铁锂电导率这一问题，人们采取的改进措施主要是对磷酸铁锂进行碳包覆和向磷酸铁锂晶格内掺杂少量杂质离子。采用新的制备工艺，如溶胶凝胶法、微乳法，合成纳米级磷酸铁锂的颗粒，可以缩短锂离子的扩散距离，提高材料的锂离子电导率。通过以上方法，目前磷酸铁锂的电导率已经得到了明显的改善。

然而解决磷酸铁锂在振实密度上的缺陷则需要更多的努力。商品化的钴酸锂振实密度一般可达2.2—2.6g/cm³，而磷酸铁锂的振实密度一般为1.0—1.25g/cm³，差距明显。低振实密度使得磷酸铁锂的体积比容量明显低于钴酸锂，在实际应用中没有优势。

研究表明，从微观形貌出发，通过改善粉体颗粒的形貌和粒径等特性，可以改变材料的振实密度。据文献报道，规则球形颗粒相对于不规则颗粒，具有较高的振实密度。如在申请号200510002012.9的发明专利“高密度球形磷酸铁锂及磷酸锰铁锂的制备方法”中，将铁源、磷源、络合剂混合水溶液与浓度为2—10摩尔/升的氨水溶液反应合成球形磷酸亚铁铵前驱体，干燥后高温热处理得到球形磷酸铁锂，产物粒径为7—12μm，振实密度达2.0—2.2g/cm³，室温下首次放电比容量达145—160mAh/g。在申请号200710028996.7的发明专利“一种高密度类球形磷酸铁锂的固相制备方法”中，将原料与掺杂金属和0.1—10wt.％的晶核生长剂(纳米银粉、纳米铜粉等)混合进行湿式球磨，干燥后高温热处理得到LiFePO₄，产物振实密度达1.55—1.75g/cm³，质量比容量达125—145mAh/g。在申请号200410103485.3的发明专利“锂离子电池正极材料高密度球形磷酸铁锂的制备方法”中，将铁源、磷源、碱水溶液用泵分别连续输入到带搅拌的反应器中，控制铁源与磷源水溶液的流量及pH值和温度等，先制得球形磷酸铁前驱体，再高温热处理得到LiFePO₄，产物粒径为7—12μm，振实密度达2.0—2.2g/cm³，室温下首次放电比容量达140—155mAh/g。

然而，目前已报道的球形磷酸铁锂的制备方法在制备工艺上稍显复杂，如液相制备法一般需控制反应液的流量或加入沉淀剂(络合剂)等，工艺控制要求较高。固相法制备球形磷酸铁锂一般需加入晶核生长剂，产品的电化学性能稍差。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的用作锂离子电池正极材料的均分散球形磷酸铁锂的制备方法，所制备的球形磷酸铁锂材料具有较高的振实密度和较好的电化学性能。