[发明专利]一种低温型纳米磷酸铁锂、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种低温型纳米磷酸铁锂、其制备方法及应用。

背景技术

自1997年橄榄石结构的LiFePO₄被发现以来，因其在3.4V有平稳的放电电压平台，且具有原料来源广泛、热稳定性好及对环境友好等优点，其作为锂离子电池正极材料的应用就倍受重视。但LiFePO₄的离子传导率和电子传导率均较低，而且在充放电时，Li⁺在LiFePO₄-FePO₄两相之间的扩散通道为一维通道，致使LiFePO₄在低温方面存在缺陷。

目前改善LiFePO₄低温性能的方法主要体现在以下三个方面：

（1）通过表面包覆导电材料改善材料的导电性；

（2）通过离子掺杂增大了晶格中Li⁺一维扩散通道；

（3）减小材料的一次粒径，缩短锂离子在材料中的扩散距离。

传统减小材料一次粒径的方法可分为机械球磨法和液相合成法。机械球磨法借助研磨设备将前驱体研磨至50～300nm的颗粒，其缺点是需要大量的研磨设备且能耗大。液相合成法通过控制颗粒的生长速度制得50～300nm的颗粒，但液相合成法往往需要在较高温度和一定压力下进行，对反应设备要求较高，并且在合成过程中产生大量的废水，造成环境污染，增加环保压力。如授权公告号CN100454615C的中国专利，公开了一种水热合成制备均分散磷酸铁锂纳米晶的方法，在表面活性剂存在下的利用水热合成技术批量生产高含量磷酸铁锂纳米晶。采用亚铁盐、磷酸和氢氧化锂或碳酸锂为原料，首先在40～100℃下得到反应前驱物，然后在150～200℃的高压釜中在水热条件下反应，所得产物在惰性气体保护下高温处理，制得高纯度、均粒径为200～500nm的均匀分散磷酸铁锂纳米晶体。该液相合成法制得的磷酸铁锂纳米晶的低温放电性能欠佳，而且该液相合成法为获得结晶完好的纳米磷酸铁锂材料，需要耐高温、高压的反应釜，并且在合成过程中产生大量的废水，无形中增加了设备投资和制造成本，并且造成较严重的环境污染。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种低温型纳米磷酸铁锂，所述低温型纳米磷酸铁锂具有较高的比容量和良好的低温放电性能。

所述低温型纳米磷酸铁锂是先通过非化学计量比的诱导使锂源、铁源和磷源在烧成过程中自身分裂形成一次颗粒粒径20～300nm的非完善晶态的颗粒，再通过补充锂源和磷源进行化学计量比的调节和烧成形成一次颗粒粒径20～300nm的完善晶态的颗粒而得到的低温型纳米磷酸铁锂。

优选地，首次烧成过程中的物料还包括掺杂元素。

本发明低温型纳米磷酸铁锂的一次颗粒粒径仅有20～300nm，实现了减小材料的一次颗粒粒径，缩短锂离子在材料中的扩散距离的目的，相比现有技术有长足的进步。测试表明：本发明低温型纳米磷酸铁锂具有较高的比容量和良好的低温放电性能；1C放电容量达135mAh/g以上；相比25℃条件下，其在-20℃条件下的放电率达到75%左右，明显优于现有技术。

本发明的目的之一还在于提供一种所述低温型纳米磷酸铁锂的制备方法，采用该方法无需使用研磨设备或高压釜，单位能耗和设备投资大大降低，而且废水排放少、环境污染轻；此外，该方法的生产流程简单、无苛刻条件且易于工业化。该方法制得的低温型纳米磷酸铁锂具有较高的比容量和良好的低温放电性能。

所述制备方法是先通过非化学计量比的诱导使锂源、铁源和磷源在烧成过程中自身分裂形成一次颗粒粒径20～300nm的非完善晶态的颗粒，再通过补充锂源和磷源进行化学计量比的调节和烧成形成一次颗粒粒径20～300nm的完善晶态的颗粒而得到低温型纳米磷酸铁锂。

优选地，所述制备方法包括以下步骤：

（1）将锂源、铁源、磷源及掺杂元素按照摩尔比为(1-X)：1：(1-X)：Y混合，然后在保护性气体和/或还原性气体的气氛下，升温至400～600℃，恒温焙烧3～20h，得到一次颗粒粒径20～300nm的非完善晶态的前驱体材料，其中0.02≤X≤0.1，例如X=0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09或0.1等，且0≤Y≤0.05，例如Y=0、0.01、0.02、0.03、0.04或0.05等。