[发明专利]一种自牺牲模板法制备纳米级磷酸亚铁锂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料磷酸亚铁锂的制备方法，特别是一种自牺牲模板法制备纳米级磷酸亚铁锂的方法，属于电化学领域。

背景技术

全球环境的不断恶化和能源供应的持续紧缺是21世纪人类必须面临的两大问题，开发应用新能源和可再生清洁能源已经刻不容缓。风能、太阳能、潮汐能等可再生资源越来越多的被人类用于发电，绿色环保电池作为电能的储存单位也成为国内外研究热点。锂离子二次电池作为新型的绿色电池，自从1990年问世以来发展相当迅速。与常用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等二次电池相比，锂离子二次电池具有开路电压高、能量密度大、自放电率低、使用寿命长、无污染以及安全性能好等独特的优势，应用范围越来越广泛。

钴酸锂材料作为第一代商品化的锂离子电池正极材料，有着许多不可取代的优势：材料的加工性能很好，密度高，比容量相对较高，材料的结构稳定，循环性能好，材料的电压平台较高且比较稳定，是目前最成熟的正极材料。但是其存在的价格昂贵、容量几乎发挥到了极限、资源紧缺、安全性差等缺陷，使得其必然在未来的几年内有被新的正极材料挑战和替代的风险。 

聚阴离子的LiFePO₄材料有着170 mAh/g理论比容量，而且材料的充放电曲线非常平稳(3.5 V vs. Li⁺/Li)。该材料由于原料来源广泛，价格低廉，环境友好，材料结构稳定，化学相容性好，循环稳定性突出，使得其在各种可移动电源领域，特别是大型动力电源和储能领域有着极大的市场前景，被认为是最有前途的锂离子动力和储能电池的正极材料之一。

但是该材料低的电导率（室温下约为10^-9 S/cm）和低的锂离子扩散系数导致其高倍率性能差，从而大大限制它进一步的应用。目前，国内外对提高LiFePO₄ 的高倍率性能进行广泛的研究，主要从以下两个方面解决问题：1）采用不同位置的离子掺杂和表面包覆导电相提高LiFePO₄ 的电导率；2）优化制备工艺，采用不同的合成方法如水热法、溶胶凝胶法和微波法等制备颗粒细小的LiFePO₄ 材料，通过减小颗粒尺寸以缩短电子和锂离子的迁移距离，从而提高材料的电导率。

通过掺杂、表面包覆导电相及小尺寸化等对LiFePO₄进行电化学改性是提高该材料电子电导率和锂离子迁移率的重要方法，是近年来人们研究的重点。如1、中国专利（公开号CN1564343A）公开了一种“含磷酸亚铁锂盐-碳的锂离子电池正极复合材料的制备方法”，通过采用一步固相法以三价的铁盐为原料制备得到纯度高，导电性良好的碳包覆的LiFePO₄复合材料。2、B. Jin等人（Preparation and characterization of LiFePO₄ cathode materials by hydrothermal method. Solid State Ionics, 2008, 178: 1907-1914.）采用水热法以可溶性的二价铁盐硫酸亚铁，氢氧化锂和磷酸铵盐为原料制备出了平均粒径为200 nm的LiFePO₄材料。3、J. S. Yang等人（Nonaqueous sol-gel synthesis of high-performance LiFePO₄. Eletrochem. Solid-State Lett.,2004, 7(12): A515-A518 ）采用非水溶胶凝胶的方法以醋酸亚铁、醋酸锂和磷酸为原料制备了LiFePO₄/C复合材料，平均颗粒尺寸在100~300 nm左右。4、中国专利（公开号 CN102074687A）公开了一种“制备纳米级碳包覆磷酸铁锂的水热合成法”，其采用水热法制备得到了颗粒分布均匀，D50在200~300nm 之间的LiFePO₄/C复合材料。