[发明专利]一种磷位硼掺杂的碳包覆磷酸铁锂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源材料制备技术领域，在常用二次锂离子电池和动力能源电池正极材料领域具有广泛应用前景。

背景技术

随着“低碳经济”时代的到来，以及通讯、交通和电子信息技术的迅速发展，人们对电源的体积、能量、循环寿命等提出了更高的要求，传统的化学电源如铅酸、镍镉电池因有记忆效应、能量密度低且合成及使用过程中存在环境污染等问题而不能很好满足市场需求。在目前广受关注的电池中，锂离子电池因具有体积小、重量轻、容量大、工作电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等优点成为为顺应市场的变化而开发的新型绿色高能电源中的佼佼者。

橄榄石型结构磷酸铁锂（LiFePO₄），于1997年由Padhi等人发现。由于磷酸铁锂具有高稳定性、环境友好、原材料低廉、循环性能和安全性能优秀等优点，近年来备受关注，被认为是极具潜力的最有发展前景的下一代锂离子电池正极材料。然而由于其较低的电子电导率和锂离子传输速率，从而限制了其大规模应用。为了解决磷酸铁锂材料的这两个缺点，研究人员已经尝试了很多方法，如：表面碳包覆、离子掺杂。现今，虽然磷酸铁锂正极材料的性能已经得到一定提高，但其合成过程中的能耗问题仍然有待优化。

目前，磷酸铁锂正极材料的合成方法很多，有固相反应法、水热法、流变相法以及溶胶凝胶法等。然而固相法、水热法、流变相法以及溶胶凝胶法在大规模生产中均存在一定问题，且合成过程中能耗均较高，不符合目前低碳环保的要求，不易于产业化应用，例如：固相法虽然工艺步骤简单，但在其原料混合过程中原料颗粒团聚，致使原料混合不够均匀，从而导致产物中各元素分布不够均匀、晶格结构不完整，进而影响产物循环稳定性及其一致性；水热法一般使用二价铁盐作为初始原料，致使在投料过程中原料化学稳定性难以确保，且水热法一般是在高温高压的反应釜中进行，致使合成条件的均匀性难以控制；流变相法和溶胶凝胶法等方法操作步骤复杂，致使合成过程中影响因素过多，从而导致在产业化过程中也存在不易控制的缺点。

发明内容

本发明目的在于，针对已有方法的不足之处，提供一种磷位硼掺杂的碳包覆磷酸铁锂材料的制备方法，该方法以磷酸铁、锂源、硼酸、草酸和碳源为原料，通过水浴搅拌，在液相中生成碳包覆的混合初始原料，再通过快速高温热处理即得碳包覆的硼掺杂磷酸铁锂LiFeP_1-xB_xO₄/C (0.05≤x≤0.20)正极材料。通过该方法获得的磷酸铁锂正极材料晶粒生长充分，颗粒形貌规则，表现出优异的电化学性能。本发明所述的方法具有合成工艺简单易行且节能环保，易于实现规模化生产，具有产业化优势。

本发明所述的一种磷位硼掺杂的碳包覆磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于该材料的分子式为LiFeP_1-xB_xO₄/C，其中0.05≤x≤0.20，具体操作按下列步骤进行：

a、在容器中加入去离子水、锂源和草酸，搅拌溶解后，再加入磷酸铁、硼酸和碳源，在温度40-90℃下搅拌1-15小时至蒸干，搅拌速度为100-350 r/min，得到蒸干产物；

b、将步骤a的蒸干产物置于温度80-120℃的烘箱中充分烘干后进行充分研磨，得到混合物粉末；

c、将步骤b的混合物粉末在N₂气氛保护下进行保护气体的气流速度为0.2-0.6 L/min，以温度5-10℃/min加热速率升温，于温度450-750℃恒温煅烧0.5-6小时的快速高温热处理；

d、最后自然冷却至随炉降温至室温，即得到磷位硼掺杂的碳包覆磷酸铁锂材料LiFeP_1-xB_xO₄/C 。

步骤a中原料摩尔比为Li:Fe:B:C₂H₂O₄=1:1:0.05-0.20:1.2-3.5，碳源添加量为5-20 wt%。

步骤a所述锂源为醋酸锂、草酸锂、氧化锂、氢氧化锂或碳酸锂。

步骤a中所述碳源为蔗糖、葡萄糖、淀粉或聚乙二醇。

附图说明：

图1为本发明LiFeP_1-xB_xO₄/C (x=0.10) 的XRD谱图；