[发明专利]球形磷酸铁锂正极材料及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及新能源材料领域，尤其涉及一种球形磷酸铁锂正极材料及其制备方法。

【背景技术】

能源与环境是人类生存与发展的两大主题。进入21世纪，随着科技的飞速发展与人类活动的日益频繁，地球资源的消耗也急剧增加，尤其是化石能源(煤，石油，天然气)的大量消耗而濒临枯竭。能源问题成为人类未来发展的首要问题。为此，人类在寻找各种替代能源，尤其是清洁能源，如太阳能，风能，生物能等。但如何有效的存储和利用这些新能源，成为一个亟待解决的问题。锂离子电池以其独特的优势受到人们广泛的关注。锂离子电池具有能量密度高，寿命长，环境友好等优点，已被广泛应用于便携式电子通讯产品和电动工具中，未来也将成为能源存储的明星，被大规模应用在电动自行车，电动汽车以及大型储能领域。

正极材料，作为锂离子电池的关键材料之一，对整个锂离子电池的容量起着决定性的作用，也正成为各国新能源材料领域研发，产业化以及大规模应用的焦点。在目前比较多的正极材料研究中，钴酸锂(LiCoO₂)和镍酸锂(LiNiO₂)因结构不稳定存在安全问题，以及环境问题不适合大规模的应用；锰酸锂(LiMn₂O₄)材料存在高温循环容量衰减严重的问题，制约着其在动力电池领域进一步的应用；尽管三元材料(LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂)的综合性能比较突出，但仍然存在有毒元素和战略资源元素Co的问题，该材料只能作为过渡性产品应用。对于磷酸铁锂(LiFePO₄)材料而言，由于其循环性能优异，安全性能高，环境友好，成本适中，成为未来最有潜力在储能与动力电池领域大规模应用的正极材料。

然而，对于磷酸铁锂材料而言，存在着最突出的两个缺点：离子电导率低和电子电导率低，该材料的两个缺点致使磷酸铁锂材料的可逆容量不高，倍率容量低，限制了磷酸铁锂材料大规模的应用。针对磷酸铁锂材料的缺点，目前主要的改善方法一般采用固相法或者各种液相软化学的方法，通过包覆碳，金属离子掺杂或者采用金属粉末提高电导，以及减小颗粒尺寸等手段，从而达到提高其电化学性能的目的。

在采用软模板法制备磷酸铁锂的方法中，主要为先均匀混合各种原料，再加入模板剂，通过水热法得到各种尺寸和形态的纳米粒子。软模板法制备磷酸铁锂方法的优点是合成粒子比较均匀，纯度较高，如中国专利公开号CN101607703A(模板水热法合成纳米磷酸亚铁锂材料的方法)，但是由于所采用的水热过程，一般都涉及到高温高压，存在很多安全问题，不适合大规模工业化生产；又如中国专利公开号CN101906661A(有序层状自组装纳米结构磷酸铁锂多晶粉体及其制备方法)公开的采用表面活性剂双重模板下，合成有序层状结构纳米磷酸铁锂，其容量比较好，该制备过程繁琐，不适合大规模工业化生产；另外，中国专利公开号为CN101383409A(一种制备多孔锂离子电池正极材料的方法)的技术采用水热反应，水热反应持续时间甚至更长，达到2天，在大规模产业中的时间成本将难以想象，而且该发明产品的性能未在专利中表述出来。

【发明内容】

本发明提供一种球形磷酸铁锂正极材料及其制备方法，该方法采用常温常压的软模板法，使得各种原料离子均匀分散在模板剂溶液中，然后通过喷雾干燥得到前躯体，并在高温热处理过程中得到具有中空结构的球形磷酸铁锂正极材料，显示出优异的电化学性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明所述球形磷酸铁锂正极材料，它是结构式为Li_(1-x)A_xFe_(1-y)B_yPO₄/C磷酸铁锂材料形成的颗粒具有中空球形结构，颗粒球粒直径为4～25μm，平均比表面积为5～30m²/g；其中0≤x≤0.15，0≤y≤0.15，A和B分别为Ag、Mg、Zn、Cu、Al、In、Ti、Nb、Mo、V、Zr、Mn、Cr、Ni、Co元素及稀土元素化合物中的一种或多种，C按照质量百分比计算占Li_(1-x)A_xFe_(1-y)B_yPO₄/C化合物的含量为1～20％。

本发明所述球形磷酸铁锂正极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：