[发明专利]一种正极材料以及它的制备方法

说明书

技术领域

本发明与电池正极材料有关，特别的，与使用在电动工具、消费性电子、电动车的锂离子电池的正极材料有关，例如磷酸亚铁锂(化学式：LiFePO4)。

背景技术

  锂离子电池是指其中的锂离子(Li+)嵌入和脱嵌正负极材料的一种可充放电的电池，其正极一般采用嵌锂化合物，如层状晶体结构的钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)与尖晶石晶体结构的锰酸锂(LiMn2O4)。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入到负极，同时电子的补偿电荷从外部电路供给到负极；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极材料。

1996年一种橄榄石晶体结构的正极材料问世，而1997年美国德州大学的John B. Goodenough等几位发明人发现了一种橄榄石晶体结构的材料(参见美国专利US 5,910,382)，化学式为LiFePO4，具有可嵌入、脱嵌的橄榄石晶体结构。

在传统的方法制备的LiFePO4正极材料中，制造过程会产生磷酸铁、磷酸锂、氧化铁、氧化锂、碳酸铁、碳酸锂等杂质，故理论上粉体的克容量比为180毫安时/克(mAh/g)，但实际上的电容量值仅90到110毫安时/克(mAh/g)。这就需要提供一种新的制备方法，可以提高LiFePO4的纯度，从而提高粉体的克容量比。

发明内容

一方面，本发明提供一种LiFePO₄正极材料,其中，LiFePO₄质量百分比含量为90%-99%间。优选的，LiFePO₄质量百分比含量为90%-95%。另一方面，本发明提供一种LiFePO₄正极材料,其中，克容量比为145-170毫安时/克(mAh/g)。优选的，克容量比为160-165毫安时/克(mAh/g)。

另一方面，本发明提供一种制备磷酸亚铁锂（LiFePO_4）的方法，该方法包括以下步骤：（1）、提供铁源、锂源、磷源、氧源的化合物的混和物；（2）、对这些化合物的混合物进行烧结；其中让提供铁源和锂源的化合物的分解温度小于提供磷源的化合物的分解温度。

在一些优选的方式中，先让提供铁源和锂源的化合物在真空条件下进行部分分解烧结，既：让提供铁源和锂源的化合物进行实质分解并留下铁和锂元素，但是并不能让提供磷源或/和氧源的化合物进行实质分解。更优选的，在部分分解烧结步骤后，对产物再进行完全反应烧结让这些产物进行完全的反应。优选的，在完全反应烧结后进行结晶烧结让其结晶。其实，完全反应烧结和结晶烧结可以一步完成也可以分部完成。这些都是本领域一般技术人员根据现有技术容易知晓的。

这里的“实质”是指至少65%的化合物进行了分解或不进行分解反应，例如至少为70%，75%，80%，85%，90%，95%或99%或100%。例如让提供铁源和锂源的化合物在某一较低的温度下（380℃）至少有65%的分解掉，而在同一温度条件下至少有65%的提供磷源或/和氧源的化合物不进行分解。

在一些优选的方式中，让部分分解烧结的温度为150-400℃左右，时间为2-8小时左右，例如0.5-15小时，1-12小时，2-8小时，3-6小时；温度可以为大于或等于150℃，小于或等于400℃左右。“左右”在这里可是上下浮动5%、2.5%、10%或15%。优选的，分解烧结在真空条件下进行。

在另一些具体实施方式中，完全反应或/和结晶烧结在还原(氢气)或惰性气氛(氮气或氩气)中，以摄氏450度至1200度下烧结1-24小时。优选的，完全反应或/和结晶烧结的温度为摄氏600度至1200度，经4-24小时的烧结。更优选的，还可以包括对结晶产物进行研磨成粉体，并进行筛粉使颗粒大小、粒径分布较为一致。

部分分解烧结步骤可以以除去原料中的水份或其他液、气体等杂质，防止氧化，（例如除去草酸或碳酸，并留下磷酸）。完全反应或/和结晶烧结使原料反应并移除反应废弃物(如氨气、二氧化碳等)或让产物结晶。

采用以上方法生产的LiFePO₄粉体，纯度在90%至95%之间，并使其中不完全合成的磷酸锂、磷酸铁、氧化锂、氧化铁、碳酸锂、碳酸铁的比例在15%以下，克容量比为150至170毫安时/克(mAh/g)。

在以上所有的实施一些方式中，让铁、锂、磷、氧元素的莫耳为1：1：1：4。