[发明专利]一种纳米级磷酸铁锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，特别涉及到锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法。

背景技术

锂离子电池自商品化以来，正极材料始终是电池领域的研究热点。目前，主要使用的正极材料有LiCoO₂、LiNiO₂、LiCO_xNi_1-xO₂、LiMn₂O₄等，上述材料因种种缺陷而不能够满足现代锂离子电池的产业发展需要。随着锂离子电池用量的迅猛增加和电动汽车对大容量锂离子电池的需求，迫切需要发展具有高安全性、高能量密度、高功率、长循环寿命、高环保及低价格的锂离子电池，为此需要开发出环境友好、原料资源丰富、性能优异的锂离子电池正极材料。自1997年A.K.Padhi等首次提出LiFePO₄可作为锂离子电池正极材料以来，由于其具有价格便宜、无毒、环境相容性好、矿藏丰富、较高的比容量(理论容量170mAh/g，能量密度550Wh/kg)和较高的工作电压(3.4V，以金属锂为负极)、充放电压平缓、循环寿命长、高温性能和安全性能好等优点，有望成为下一代锂离子电池的主导正极材料。

目前，磷酸铁锂大规模应用的主要问题之一是产品的批量稳定性。至今大多数的工业规模生产磷酸铁锂的方法为高温固相法。US 20030077514、CN 101118963、CN1767238A等专利均报道了制备磷酸铁锂的固相反应法。高温固相法需要长时间保持均匀的炉体温度和保护气氛，在生产控制上存在一定的技术难题，同时采用研磨法混料难以保证混合均匀，混料过程中反应物易发生的复杂副反应会使合成出材料的成分、结构不均匀，因此存在产品批量稳定性不足的问题。

为了解决上述问题，很多研究者进行了湿化学法合成磷酸铁锂的研究，其中水热法研究的比较多。如Shoufeng Yang等(Hydrothermal synthesis of lithium ironphosphate cathodes[J].Electrochemistry Communications 2001，3：505-508)以可溶性的二价铁盐、氢氧化锂和磷酸为原料，用水热法(120℃、5h)合成了磷酸铁锂，平均粒径为3微米。Lee等(characteristics of lithium iron phosphateparticles synthesized in subcritical and supercritical water[J].J.ofSupercritical Fluids 2005，35：83-89)采用在较高水热合成温度下合成磷酸铁锂的方法，过高的温度要求耐高压的设备，增加了设备投资。水热法具有操作简单、物相均匀、产物粒径小的优点，且产品批量稳定性好、原料价廉易得的优点。但水热法需要高温高压的设备，工业化生产的难度比较大。

综上所述，在现有的合成方法中，都或多或少地存在工艺复杂、制备时间长、成本高、性能一致性差等缺点。因此，开发一种工艺简单、易于控制的材料制备方法，是锂离子电池正极材料领域所要解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的是提出一种纳米级磷酸铁锂的制备方法，以有效控制产品的物相成分、粒径和均匀性，同时简化合成工艺，使之易于实施。

本发明的纳米级磷酸铁锂的制备方法关键在于以下具体步骤：

A：声化学法制备纳米前驱体：将含锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物和沉淀剂的溶液或悬浮液混合，在磁力搅拌下，利用多频声化学发生器发出超声波对溶液进行声化学合成，其中锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物的用量按n_Li∶n_Fe∶n_P＝1～1.05∶1∶1的摩尔比确定；反应开始时，反应物的锂离子浓度为0.1～3.0mol/L，反应气氛为空气气氛或非氧化气氛；

B：生成物的过滤、洗涤和干燥：将A步骤的生成物过滤并洗涤，将铁源化合物的酸根离子洗去，所得的产物经过真空干燥后得到纳米级磷酸铁锂前驱体。

上述方法中，纳米级磷酸铁锂前驱体的合成采用了声化学新工艺，超声波的空化作用为液体中空腔的形成、震荡、生长、收缩至崩溃及其引发的物理和化学反应提供了一种新的特殊的物理环境，从而对材料的形貌产生了巨大的影响，产物的粒径大约在50nm左右，且分布均匀，没有团聚现象的发生。

为增强上述得到的纳米级磷酸铁锂的导电性能，使之更适合于锂离子电池正极材料，最好还包括下述步骤：