[发明专利]一种锂离子电池正极材料-掺杂金属离子的磷酸铁及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源的材料，更具体地说是涉及锂离子电池正极材料-掺杂金属离子的磷酸铁及其制备方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济、国家安全和实现可持续发展的重要基石。目前，绿色无污染的新型高能化学电源已成为世界各国竞相开发的热点。理论与实践证明，锂离子电池具有其他二次电池不可比拟的优势，锂离子电池的优越性基本上可归纳为：工作电压高(是镍氢电池的3倍)；比能量大(可达180Wh/kg，是氢镍电池的3倍)；体积小；质量轻；循环寿命长；自放电率低；无记忆效应；无污染等。在全球能源与环境问题越来越严峻的情况下，锂离子电池对使用大功率、大能量的应用设备提供了新的选择。尤其是近年美国提出智能电网的概念加速推进了新能源的发展，智能电网的发展使各类储能单元能够更好地接入电网中，并实现能量的互动，这为目前化学电源的另一个应用热点-电动汽车的发展注入了新的活力。电动汽车中所使用的化学电源不但可以用于汽车的能源，还可以是电网中的储能单元，起到削峰填谷和稳定电能质量的作用。磷酸铁锂为正极的锂离子电池由于其原料来源广，环境友好，性能稳定等优势，已成为各领域看好的锂离子电池。但是，磷酸铁锂正极材料仍存在诸多不足，主要体现在产品批次不稳定，而且由于磷酸铁锂中含有二价铁，使得整个合成工艺中都必须有惰性气氛保护，增加了生产成本，制约了该材料的发展。从已有的研究来看，磷酸铁作为锂离子电池的正极材料也具有较高的电化学活性，在低倍率放电条件下，比容量可达130mAh/g。

FePO₄材料作为锂离子电池的正极材料有诸多优点：(i)合成工艺更简单，由于合成中没有Fe(II)组分，不需要气氛保护，省去了相应的设备和投入；(ii)FePO₄材料的合成为二元合成体系，便于控制和优化合成条件；(iii)由于采用Fe(III)化合物为原料，使合成原料来源更广。所有这些优点可使得FePO₄材料更具低成本、规模化生产的优势，如果直接以磷酸铁为锂离子电池的正极材料，则可望成为铁基锂离子电池正极材料的后起之秀。然而在锂离子电池正极材料磷酸铁的研究中，发现磷酸铁在电子导电性和离子导电性方面较差，严重制约了该材料的应用。

发明内容

本发明的目的之一为了解决上述问题，提出一种锂离子电池正极材料-掺杂金属离子的磷酸铁。

本发明的目的之二是提供上述的一种锂离子电池正极材料-掺杂金属离子的磷酸铁的制备方法。

锂离子正极材料磷酸铁的改性技术。在本方法中通过对磷酸铁进行离子掺杂改性，提高磷酸铁作为电池材料中的导电性。进而促进磷酸铁在锂离子电池中的应用。

本发明的技术方案

通过掺杂金属离子，可以改善磷酸铁的结构和半导体性能，提高该材料的电子导电性和离子导电性能，使其在电池充放电中具有更高的放电倍率和放电容量。在掺杂方法上，通过固相合成或液相合成使得掺杂离子能够均匀的混合在前躯体中，并通过烧结进入磷酸铁品格中。

一种锂离子电池正极材料-掺杂金属离子的磷酸铁，其中的Fe：掺杂金属离子：P的摩尔比为0.92～0.99∶0.01～0.08∶1，其中掺杂金属离子为Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺。

上述一种锂离子电池正极材料-掺杂金属离子的磷酸铁的共沉淀制备方法，包括如下制备步骤：

(1)、原料的混合

将磷源、铁源及掺杂金属离子加入到盛有纯水的容器中溶解混合，形成磷源、铁源及掺杂金属离子原料混合物；

所述的磷源为可溶性的磷酸盐或磷酸；其中可溶性的磷酸盐为(NH₄)₂HPO₄或NH₄H₂PO₄；

其中铁源为铁的碳酸盐、醋酸盐、硝酸盐、铁的氧化物或铁的氢氧化物；

其中掺杂金属离子为Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺的可溶性盐或氢氧化物或氧化物；Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺的可溶性盐为Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺的硝酸盐或醋酸盐；

(2)、掺杂金属离子的磷酸铁的前躯体的制备