[发明专利]一种电池级磷酸铁及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料制备技术领域，涉及一种高密度橄榄形电池级无水磷酸铁及其制备方法，该电池级磷酸铁是制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的理想前驱体。

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、循环性能好、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽等众多优点，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、数码相机、摄录机、电子仪表等，在UPS、电动工具、电动自行车、电动汽车、储能电池等领域也具有光明的应用前景。近年来，锂离子电池的产量飞速增长，应用领域不断扩大，已成为在二十一世纪对国民经济和人民生活具有重要意义的高新技术产品。

目前，锂离子电池在便携式电子产品用的小型电池领域已日趋成熟，应用范围正逐步向中大容量、中高功率的动力型和储能型电池领域拓展。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。正极材料研究和性能改进是锂离子电池发展的核心之一。对动力型和储能型锂离子电池来说，正极材料的成本、高温性能、安全性十分重要。在小型电池领域已得到应用的锂-过渡金属复合氧化物正极材料，包括钴酸锂（LiCoO₂）、镍酸锂（LiNiO₂）、锰酸锂（LiMn₂O₄）及以上三种材料的衍生物，如镍钴酸锂（LiNi_0.8Co_0.2O₂）、镍钴锰酸锂（LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂）等尚不能满足要求。

正交橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料已成为国内外的研究热点。该材料集中了钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂及其衍生物正极材料的各自优点：不含贵重元素，原料廉价，资源极大丰富；结构稳定，安全性能极佳，LiFePO₄中的O与P以强共价键牢固结合，使材料很难析氧分解；高温性能和热稳定性明显优于已知的其它正极材料；循环性能好；充电时体积缩小，与碳负极材料配合时的体积效应好；与大多数电解液系统相容性好，储存性能好；无毒，为真正的绿色材料。与钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂及其衍生物正极材料相比，磷酸铁锂正极材料在成本、高温性能、安全性方面具有突出的优势，可望成为动力型和储能型锂离子电池理想的正极材料。磷酸铁锂正极材料的产业化和普及应用对降低锂离子电池成本，提高电池安全性，扩大锂离子电池产业，促进锂离子电池大型化、高功率化具有十分重大的意义；将使锂离子电池在中大容量UPS、中大型储能电池、电动工具、电动汽车中的应用成为现实。

随着化石能源的逐渐枯竭，全世界都越来越重视新能源如太阳能、风能、潮汐能的开发利用，并把新能源的研究作为新的学科增长点。太阳能、风能、潮汐能等除了可以并网发电以外，很多情况下需要把发出的电能储存起来。只有解决了电能的储存问题，太阳能、风能、潮汐能发电才能灵活应用，走向大规模的实用化。因此，储能电池及其关键材料的研究对于新能源的发展应用具有重要意义。

以磷酸铁锂为正极材料的锂离子储能电池将可能是太阳能、风能、潮汐能发电系统的绝配。因此，磷酸铁锂正极材料的研究不仅在锂离子电池领域具有重要价值，对太阳能、风能、潮汐能等新能源技术的发展应用也具有十分重要的意义。

目前看来，磷酸铁锂是最有可能真正大规模应用于动力型和储能型锂离子电池的理想材料。自从1997年美国的John B.Goodenough教授提出这一材料以来，国内外对此进行了广泛而深入的研究。人们通过对材料进行表面包导电碳、内部掺导电物质、晶粒纳米化等手段提高材料的导电性；通过优化控制粉体的粒形、粒径及其分布提高材料的堆积密度。人们开发出多种制备工艺，有些已经应用于实际。

归纳起来，目前磷酸铁锂的主流制备工艺为以下四种或其变种：

1.全湿法工艺

此法是将锂源、铁源、磷源分散在水中或其他溶剂中，通过水热或溶剂热过程，在相对较低的温度和高压下反应一步合成磷酸铁锂，再经后续处理制成。此法工艺简洁，可制成纳米磷酸铁锂；但废液排放量大，需耐高压设备，工业放大不易。

2.草酸亚铁工艺