[发明专利]一种复合式球形锂铁材料/碳阴极材料的制法及其用途

说明书

本发明主张国际优先权：基础案为TW102136253优先权日：2013年10月07日。

技术领域

本发明涉及一种复合式球形锂铁材料/碳阴极材料，特别是一种以喷雾干燥合成具球体结构的锂铁材料/碳阴极材料的制法及其用途。

背景技术

近年来，锂离子二次电池的性能，随着材料及电化学技术不断的发展，已明显的提升，且大量使用在各类3C产品上。

锂离子二次电池的基本架构，包括：(1)阳极材料(Anode material)、(2)电解液(Electrolyte)、(3)隔离膜(Separator)以及(4)阴极材料(Cathode material)四个部分，其中，阴极材料的活性物质，不但主导着锂离子二次电池的电容量大小，也决定着锂离子二次电池的安全性。因此，应用于锂离子二次电池的理想阴极材料，需具备优异的克电容量以及材料热稳定性。

目前阴极材料的主要研究方向是集中在LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄等。而其中目前最受瞩目的应属LiFePO₄阴极材料，因其具有非常稳定结构，因此以LiFePO₄制备的锂离子二次电池是属于安全性的电池。

在现有技术中，锂铁材料包括磷酸锂铁(LiFePO₄)、氧化锂铁磷(LiFe_(1-x)M_xP_(1-x)O_2(2-x))或其它锂铁系列材料，具结构稳定、无毒、成本较低及安全性较高的特点，且理论克电容量达170mAh/g，是应用于锂离子二次电池的其中一种理想阴极材料。

为方便说明，下文使用英文名称“LFP”简称锂铁材料。所述锂铁材料(LFP)常用的合成方法，包括：溶胶-凝胶法(Sol-gel method)、共沉淀法(Co-precipitation method)、固态反应法(Solid-state method，以下简称固态法)、喷雾裂解法(Spray pyrolysis method)、水热合成法(Hydrothermal method)等。

其中，使用固态法制备LFP粉末的制法，包括下列步骤：

1.取锂源、铁源、磷酸源直接做固相混合及研磨，其中Li∶Fe∶P摩尔比为1∶1∶1；

1)按摩尔比1∶1∶1的比例，分别取锂源、铁源、磷酸粉末为原料；

所述锂源为选自氢氧化锂、硝酸锂、醋酸锂、氯化锂、碳酸氢锂或碳酸锂、磷酸氢锂或磷酸锂，较佳实施例为氢氧化锂(LiOH)。

所述铁源为选自硫酸铁、草酸亚铁、磷酸铁、醋酸铁、氧化铁、硝酸铁或氯化铁，较佳实施例为硫酸铁(FeSO₄.7H₂O)。

所述磷酸源为选自磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸锂、磷酸氢锂、磷酸铵锂、磷酸或磷酸钠，较佳实施例为(NH₄H₂PO₄)。

2)以高速球磨机做固相混合及研磨取得前趋物样品H；

将步骤1)的原料放入高速球磨机，在加入或不加入研磨助剂条件下，以转速200～400rpm研磨4小时，将步骤1)的原料均匀混合成前趋物样品H；

3)选择性加入约3wt％的Super P导电碳材，再以高速球磨机做固相混合及研磨取得前趋物样品G；

对前趋物样品H选择性加入约3wt％的Super P导电碳材，再以高速球磨机研磨2小时，取得前趋物样品H与Super P导电碳材均匀混合的前趋物样品G；

4)将前趋物样品H或样品G烘干去除水分；

将前趋物样品H或样品G置入烘箱中以120℃持续加热12小时，使得前趋物样品H或样品G的水分完全去除，以利在锻烧过程中不易产生氧化物或杂质。

2.置入高温炉锻烧成LFP材料；

将完成步骤1固相混合、研磨及烘干的前趋物样品H或样品G置入石英舟内，在置入高温管状炉进行锻烧之前，可选择性进行预烧热处理，在温度350～500℃的条件下，进行热处理1～10小时，较佳实施例是在温度400～450℃的条件下，进行热处理4～6小时，将前趋物样品H或样品G的水份及小分子去除，改善前趋物样品H或样品G的结晶性之后，再置入高温管状炉进行以下二阶段烧结热处理：