[发明专利]纳米LiFePO4的低温固相合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池制造技术领域，特别是锂离子二次电池用正极材料—LiFePO₄的合成方法。

背景技术

目前商业化的锂离子电池基本上选用层状结构的钴酸锂作为正极材料，其缺点是：1、实际容量较低，在120～140mAh/g；2、循环寿命短，300～500次左右；3、安全性能差，在实际使用过程中，钴酸锂电池会发生爆炸事故；4、采用的钴原料为贵金属，价格昂贵；5、钴为重金属，对环境有害。

LiFePO₄是近几年被推广使用的一种新能源锂离子电池正极材料，具有如下优点：

1、快速充放电性能：磷酸亚铁锂正极材料的锂电池，可大倍率充放电；

2、高安全性，是目前最安全的锂离子二次电池正极材料；

3、循环寿命长，充放电可达2000次以上；

4、无污染，不含任何对人体有害的重金属元素；

5、高能量密度，其理论比容量为169.8890 mAh/g，实际比容量> 150 mAh/g(0.1C, 25℃)；

6、没有记忆效应。

因为LiFePO₄具有以上优点，故其应用十分广泛，可用于电动汽车、电动工具、电力储存和其他锂离子二次电池使用的各个方面。因此具有重要的理论和实用价值。

采用现有的固相烧结法制备LiFePO₄能适用于大规模生产，但各批次产品性能一致性差，且该方法实际操作中需要高温烧结和长时间的保温，导致无法保证最终产品性能的一致性，造成大的能耗，整个生产过程能耗高、经济性差。

发明内容

本发明目的在于提出一种环保、节能的纳米LiFePO₄的低温固相合成方法。

包括以下步骤：

1）将锂盐、铁盐、磷盐和碳源搅拌混合后，然后加入磨介，经过超细磨高速剪切粉碎，再加入稀释液进行超细磨，制成中位径D₅₀为1～999纳米的混合粉体；所述锂盐为氢氧化锂、醋酸锂、碳酸锂、氟化锂、硝酸锂或磷酸二氢锂中的至少任意一种；所述铁盐为三氧化二铁、硝酸铁、氢氧化铁、氯化铁、醋酸亚铁、氧化亚铁、草酸亚铁或硫酸亚铁中的至少任意一种；所述磷盐为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、五氧化二磷、磷酸铵或磷酸二氢锂中的至少任意一种；所述碳源为石墨微粉、有机热解炭、导电碳黑、碳纳米管、碳纤维、碳布、碳纳米粉或石墨烯中的至少任意一种；

2）将所述混合粉体在非氧化性保护气体氛围中低温煅烧制成纳米LiFePO₄；所述非氧化性保护气体为氮气、氩气、氦气、氖气、氢气、二氧化碳、一氧化碳或氨气中的至少任意一种。

本发明所述锂盐、铁盐、磷盐和碳源的投料摩尔比为0.90～1.10︰0.90～1.10︰0.90～1.10︰0.10～1.00。

本发明通过对锂盐、铁盐、磷盐和碳源以一定的比例配比，将其超细粉碎，控制其D₅₀在纳米或亚微米尺度，在固相反应时缩短LiFePO₄中各种物质的扩散程，加快固相反应，从而降低煅烧温度，获得性能优异的纯相LiFePO₄。尤其是通过控制配料后各种组成D₅₀的尺度，来缩短各种物质的扩散路径，从而可在较低的温度固相合成纯相LiFePO₄，所得LiFePO₄具有良好的充放电性能，克容量达到150 mAh/g以上。

本发明通过控制超细磨各项工艺参数和优化助剂种类和加入量的基础上，将前驱体的中位径控制在纳米或亚微米尺度，可在较低的温度及非氧化性保护气氛下，低温固相合成纯相LiFePO₄。该方法的优点是降低了烧结温度，缩短了保温时间，从而减小了固相反应的能耗，保持了LiFePO₄的活性，提高了LiFePO₄的产量及性能的一致性。

另外，本发明在步骤1）的所述剪切粉碎中，锂盐、铁盐、磷盐和碳源的总质量与磨介的质量比为1∶1～20。

所述步骤1）中，在所述剪切粉碎时，还加入溶剂，所述溶剂为去离子水、烷、酮或醇中的至少任意一种，所述锂盐、铁盐、磷盐和碳源的总质量与溶剂的质量比为1∶1～30。

本发明所述剪切粉碎的转速为500～3000转/分，剪切粉碎时间为1～20h。