[发明专利]一种正磷酸铁材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种正磷酸铁材料及其制备方法，尤其是一种用于制备磷酸铁锂正极材料的正磷酸铁材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是新一代的绿色高能电池，具有电压高、能量密度大、寿命长、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽等众多优点，在小型移动能源领域（例如手机、数码相机等）、大型移动能源领域（例如插电式混合动力车、纯电动车等）以及固定能源领域（例如储能电站、UPS等）都有着广泛的应用前景。

正极材料是锂离子电池的重要组成部分，其性能在很大程度上决定了电池的综合性能。正极材料研究和改进是锂离子电池发展的核心之一。常用的正极材料有LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄以及它们的衍生材料。

层状结构的LiCoO₂、LiNiO₂或者它们的衍生物已经或者大规模商品化应用，综合性能较好，但其存在价格昂贵、毒性大、热稳定性低、原料基础储量低等缺点。尖晶石结构的LiMn₂O₄成本低，安全性好。但循环性能，特别是高湿循环性能较差。总体而言，橄榄石结构的磷酸铁锂（LiFePO₄）正极材料已成为国内外的研究热点。

在制备磷酸铁锂时，通常采用正磷酸铁（FePO₄.xH₂O₄）作为前躯体。因此，前驱体正磷酸铁对最终制备的磷酸铁锂的性能具有较大影响。

现有技术中的各种方法制备得到的正磷酸铁用于制备磷酸铁锂时，磷酸铁锂的低温和倍率放电性能较差。

发明内容

为克服现有技术中的正磷酸铁用于制备磷酸铁锂时，低温和倍率性能差的问题。

本发明提供了一种正磷酸铁材料，所述正磷酸铁材料为多孔结构，其平均孔径为5-50nm。

同时，本发明还公开了上述正磷酸铁材料的制备方法，包括：

S1、将添加剂与水混合，得到添加剂浆料；所述添加剂选自乙炔黑、炉黑、石墨中的一种或多种；

S2、在酸性环境下，将添加剂浆料与磷源、铁源和水混合，得到悬浮液；所述磷源和铁源均为水溶性；所述悬浮液中，铁以Fe³⁺形式存在；

S3、在搅拌状态下，将悬浮液与碱液并行加入容器中，并控制容器中混合物的PH值小于7，得到反应浆料；

S4、对反应浆料进行固液分离，获得固态前体材料；

S5、对前体材料进行热处理，除去添加剂，得到正磷酸铁材料。

发明人发现，现有的正磷酸铁制备方法得到的都是实心颗粒，由此实心颗粒制备得到的磷酸铁锂的比表面积小，用于锂离子电池中时，锂离子扩散距离长，不利于电解液的渗透和锂离子的快速传导，从而导致低温和倍率性能较差。

本发明公开的正磷酸铁材料为多孔结构，具有较大的比表面积和较小的粒径。采用该正磷酸铁材料制备的磷酸铁锂正极材料具有较大的比表面积，缩短了锂离子的扩散距离，从而提高了目标产物的低温和倍率性能。

具体的，本发明制备上述多孔的正磷酸铁材料时，先形成添加剂浆料，然后以共沉淀法制备正磷酸铁前体材料，再进行热处理获得正磷酸铁材料。

发明人发现，现有技术中，制备正磷酸铁时采用的聚乙二醇等有机材料，主要起分散作用，其分布在制备得到的正磷酸铁的表面正磷酸铁无法以它为核进行异相成核，并进一步生长。从而得到的正磷酸铁材料为实心结构。本发明中，在存在有添加剂的环境中，通过反应得到正磷酸铁，正磷酸铁会以添加剂为核进行生长，形成以添加剂为核，正磷酸铁为壳的核-壳结构。在后续热处理过程中，除去添加剂，即可形成多孔的正磷酸铁材料。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的正磷酸铁材料为多孔结构，其平均孔径为5-50nm。

优选情况下，正磷酸铁材料的平均粒径为0.5-5μm，比表面积为20-40m²/g。

上述结构的正磷酸铁材料可通过如下方法制备得到：

S1、将添加剂与水混合，得到添加剂浆料；所述添加剂选自乙炔黑、炉黑、石墨中的一种或多种；