[发明专利]一种碳氮共渗的磷酸铁锂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化工合成材料领域，具体地讲本发明涉及一种碳氮共渗工艺制备高导电率高晶格强度磷酸铁锂材料的方法。

背景技术

传统能源的大量消耗，使能源供给日益紧缺，传统能源的使用带来的一系列的环境问题，如当前的雾霾天气以及汽车尾气已经成为人类健康的头号杀手等等，已经严重影响人类健康和生存环境。新的可再生绿色环保能源成为当前社会急需寻找的一种能源。以锂离子二次电池配备的电动汽车和对太阳能、风能、水电能的存储利用为代表的新一代能源利用形式，受到广泛关注。

自1997年美国德克萨斯州立大学John.B.Goodenough等研究群，报导了LiFePO₄ 橄榄石结构(LiMPO₄)，欧洲人也发现了天然橄榄石结构的LiFePO₄。LiFePO₄也被发现具备很好的可逆性地迁入脱出锂离子的特性可作为锂离子二次电池正极材料；该材料具备原材料来源广泛、价格低廉、无记忆效应，循环寿命长，安全性能好，无环境污染等一系列优点，且该材料能够作为动力电池和储能电池的正极而受到各国科学界的广泛的关注和大力研发。

尽管LiFePO₄有诸多优点，但也存在着部分缺陷，材料自身导电性能不佳，导致低温性能和高倍率放电性能差等，这些因素需要对材料从合成工艺、粒度分布、掺杂改性、碳包覆等方面进行改进。然而传统的固相法及一些其它方法合成的LiFePO₄，粒度大且分布不均，电化学及加工性能不理想，材料批次一致性差，不足以胜任动力电池对正极材料的较高要求，这已成为严重制约我国电动汽车发展的瓶颈。最重要的是主要碳包覆相关专利受控于国外也不利于我国电动汽车的发展。

发明内容

发明人通过对合成工艺的精细化研究，针对传统的采用蔗糖、葡萄糖或其它含碳物质包覆工艺不理想，不均匀、接触不严实，还有碳和磷酸铁锂前驱体的虚接，甚至是混碳的方式，进行了全新的定义，提供一种碳氮共渗的磷酸铁锂材料的制备方法，不仅增强了磷酸铁锂材料的导电性，同时也增强了晶格稳定性，降低了晶格在循环过程中坍塌的几率，有效的增强了材料循环稳定性，在改变材料的电化学性能的同时也改变了材料的晶格强度，解决了材料批次稳定性差，电化学性能不佳，加工性能不好的问题，能够胜任动力电池对正极材料的较高要求。

本发明的这种碳氮共渗的磷酸铁锂材料的制备方法，包括以下步骤：首先按摩尔比称量可溶性磷源化合物、铁源化合物和锂源化合物，将称量好的可溶性磷源化合物、铁源化合物和锂源化合物过饱和溶解在去离子水或蒸馏水中，分别形成分子级的磷源化合物前驱体溶液、铁源化合物前驱体溶液和锂源化合物前驱体溶液，然后采用水热法使所述磷源化合物前驱体溶液、铁源化合物前驱体溶液和锂源化合物前驱体溶液在高压釜内合成磷酸铁锂晶体前驱体，再通过固液分离和洗涤的步骤获取纯净的磷酸铁锂晶体前驱体；其特征在于：将所述纯净的磷酸铁锂晶体前驱体加入真空碳氮共渗炉中，设定真空碳氮共渗炉内的真空度在-0.04~-0.08MPa，使真空碳氮共渗炉以5~20℃/min的速率升温至520~650℃，在磷酸铁锂晶体前驱体被烘干前向真空碳氮共渗炉中加入尿素或甲酰胺开始碳氮共渗，整个碳氮共渗过程持续1-5小时，渗入磷酸铁锂晶体前驱体的活性碳氮原子质量为磷酸铁锂晶体前驱体质量分数的0.5~3%，获得碳氮共渗的磷酸铁锂晶体，碳氮共渗工艺完成。

进一步地，所述碳氮共渗工艺完成后，不取出碳氮共渗的磷酸铁锂晶体，紧接着将碳氮共渗炉炉温以5~20℃/min的速率升温至600~900℃，然后恒温1~8个小时后自然冷却至室温，完成碳氮共渗后的磷酸铁锂晶体的退火热处理。

优选地，所述可溶性锂源化合物为氢氧化锂、硝酸锂、磷酸二氢锂、乙酸锂和磷酸氢二锂中的一种或两种以上组合；所述可溶性铁源化合物为硫酸亚铁、磷酸亚铁、氯化亚铁中的一种或两种以上组合；所述可溶性磷源化合物为磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铵中的一种或两种以上组合。