[发明专利]磷酸铁锂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸铁锂材料及其制备方法。本发明所提供的磷酸铁锂材料可用于制备锂离子电池的正极以及其它任何适合应用磷酸铁锂材料的场合。

背景技术

目前锂离子电池广泛地应用于各种电子设备，还可用于电动自行车、电动汽车。传统的锂离子电池的正极活性材料钴酸锂，由于它的高成本和安全性能差，而无法应用于电动汽车的电池。橄榄石型磷酸铁锂，由Padhi等在1997年首次提出可以作为锂离子电池的正极材料(如：1997，144，1188-1194，Journal ofThe Electrochemical.Society)。由于磷酸铁锂具有环境友好性和廉价性，以及磷酸根的共价键可为其提供良好的化学稳定性和安全性，使它成为应用前景很好的锂离子电池正极材料。磷酸铁锂具有170mAh/g的理论容量，在它的结构中，Fe3+/Fe2+相对金属锂的电压为3.4V，此电压不会太高以至于分解电解质，也不会太低以至于减小功率密度。但是，磷酸铁锂也有缺点，它的低电子导电性和缓慢的一维锂离子扩散阻碍了其高倍率充放电(如：2004，7，A131-A134，Electrochemical and Solid-State Letters；2000，130，41-52，Solid State Ionics)。

目前，为了提高导电性，人们做了大量的工作，例如，在磷酸铁锂颗粒表面包覆一层像碳这样的导电材料(如：2003，119-121，770-773，Journal of PowerSources；2008，456，461-465，Journal of Alloys and Compounds；2009，156，A79-A83，Journal of The Electrochemical.Society)，或控制磷酸铁锂晶粒尺寸在纳米级(如：2008，112，14665-14671，Journal of Physical Chemistry C；2008，7，741-747，Nature Materials)，但往往纳米材料的振实密度较低。目前在众多制备磷酸铁锂的技术方法中，制备球形的磷酸铁锂材料是重要的方向。国外有文献报导，通过新颖的合成方法获得具有纳米多孔结构的微米级球形颗粒的磷酸铁锂材料(如：2011，133，2132-2135，Journal ofthe American Chemical Society；2011，4，885-888，Energy and Environmental Science)，国内外如微米级球形颗粒的磷酸铁锂材料(如中国专利CN1021447110A)。但这些方法在振实密度、材料的导电性以及一致性方面有一定的缺陷。

本领域一直存在获得尺寸均一的、具有较高振实密度的磷酸铁锂材料球形二次颗粒的强烈需求，但现有的制备方法很难获得尺寸均匀的球形二次颗粒，又由于其多孔特性，振实密度也不高，且制备过程比较复杂。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种新的磷酸铁锂材料及其制备方法。申请人发现，对于磷酸铁锂的制备原材料，如果添加一定量的含有柠檬酸根的物质，再采用微波加热的方式进行水热反应，可大大促进磷酸铁锂的球形二次颗粒的形成。这种球形二次颗粒是由磷酸铁锂的纳米晶团聚而成，且球形颗粒独立分散，尺寸基本均一，并具有较高振实密度。该方法可以大大减少磷酸铁锂材料的生产周期以及生产成本，而且批次稳定，可以大规模生产。

本发明所提供的纳米晶团聚形成的球形磷酸铁锂材料的显著性的特征是：其一，成分为具有橄榄石相结构；其二，形貌是纳米晶团聚成球形二次颗粒，每个球形二次颗粒是独立分散的，尺寸是基本一致的；其三，具有优良的电化学充放电性能，其充放电特性为：0.1C放电克容量大于150mAh/g，10C放电克容量大于90mAh/g。

因此，本发明所提供的磷酸铁锂材料包含球形颗粒，其电化学充放电特性为：0.1C放电克容量大于150mAh/g，10C放电克容量大于90mAh/g。优选地，所述球形颗粒是由纳米晶团聚形成的。更优选地，所述纳米晶尺寸为10-100nm。另外，本发明所提供的磷酸铁锂材料的另一个特征其振实密度为1.1～1.5g/cm³。更优选地，所述磷酸铁锂材料基本上由尺寸均一的且相互分散的球形颗粒组成。球形颗粒的尺寸典型地为300nm至2μm。