[發明專利]制備鋰離子電池正極材料磷酸鋰鐵粉體的方法

無效

• 申請號: 200810224494.6
• 申請日: 2008-10-17
• 公開（公告）號: CN101369653A
• 公開（公告）日: 2009-02-18
• 發明（設計）人: 汪浩;謝明;胡晨;羅建偉;嚴輝;朱滿康;李坤威
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/58;C01B25/45
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發明所涉及的一種制備鋰離子電池正極材料磷酸鋰鐵粉體的方法屬于電極材料的制備技術領域。

背景技術

目前，鋰離子電池作為一種高性能的二次綠色電池，已在各種便攜式電子產品和通訊工具中得到廣泛的應用。截至2002年，鋰離子二次電池的總產量為8.62億只。根據市場調查表明，2005年鋰離子二次電池需求約為12億只，而2010年則可達到13.5億只左右。因此，新型電池材料特別是正極材料的研究至為關鍵。

1990年，日本SONY公司首次成功地推出商品化的鋰離子二次電池，其正極材料采用鈷酸鋰(LiCoO₂)。由于鈷酸鋰制作工藝簡單、材料熱穩定性能好、循環壽命長，雖然價格昂貴、有毒、安全性能不好，但至今為止鈷酸鋰仍是主要的鋰離子二次電池正極材料。隨著對電池的成本低、比能量高、循環性能好、安全性高和對環境友好等的要求，鋰離子二次電池正極材料進入迅速發展階段。除鈷酸鋰外，磷酸鋰鐵(LiFePO₄)具有材料來源廣泛、價格便宜、理論比容量較高(約170mAh/g)、理論比能量較高(約550Wh/kg)、熱穩定性好、無吸濕性、對環境友好等優點，引起人們的廣泛關注，可望成為新一代首選的可代替鈷酸鋰的鋰離子二次電池正極材料。

現有的制備磷酸鋰鐵的方法主要存在以下兩種方法：高溫固相反應法和水熱合成法。

高溫固相反應法是一種傳統的制粉工藝，制備工藝簡單。但該方法存在其固有的缺點，如能耗大、效率低、粉體不夠細、易混入雜質等。

水熱合成反應是指數種組分在水熱條件下直接化合或經過中間態發生的化學反應。水熱合成法是制備粉體的重要化學方法，顯示出超越傳統化學合成方法的許多優點。由于氧氣在水熱體系中的溶解度很小，水熱體系為磷酸鋰鐵的合成提供了一個優良的惰性環境。因此，水熱合成不再需要惰性氣體保護。水熱合成法具有粒子純度高、分散性好、晶形好且可控制，生產成本低等特點。用水熱合成法制備的粉體一般無需燒結，這就可以避免在燒結過程中晶粒會長大而且雜質容易混入等缺點。但是一般情況下，水熱合成法需要烘干過程，很難防止由Fe²⁺到Fe³⁺的轉變，使得原料容易在制備過程中氧化變質。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術存在的問題，將磷酸、亞鐵離子和鋰離子轉化為磷酸鋰鐵，提供一種制備鋰離子電池正極材料磷酸鋰鐵粉體的方法。本發明的制備方法具有防止氧化，價格低廉，易于操作，環保無污染等優點。

本發明利用水熱合成法，應用純凈鐵粉的還原作用，在制備磷酸鋰鐵過程中得到很好的應用效果。在各種防氧化保護措施中，此方法價格低廉，易于操作，環保無污染，是一種制備磷酸鋰鐵最為理想且經濟實用的新路徑。

本發明的制備鋰離子電池正極材料磷酸鋰鐵粉體的方法，包括以下工藝步驟：

1、將磷酸(H₃PO₄)、七水合硫酸亞鐵(FeSO₄·7H₂O)以及氫氧化鋰(LiOH)按摩爾比為1：1：3混合，并在隔絕空氣的條件下均勻攪拌1小時得到混合溶液；

2、將步驟1中得到的混合溶液倒入水熱反應釜中，并且加入少量的純凈鐵粉，調節水熱溫度為160℃～200℃，水熱反應5～7小時以后常溫冷卻；

3、在得到的產物中加入去離子水，均勻攪拌一分鐘后放入離心機，以4000轉/分鐘的轉速離心5分鐘，最后將上層液體除去只留下固態沉淀物；

4、重復步驟3的操作5次后，在得到的產物中加入無水乙醇，均勻攪拌一分鐘后放入離心機，以4000轉/分鐘的轉速離心10分鐘，最后將上層液體除去只留下固態沉淀物；

5、將得到的沉淀物放入真空干燥烘箱中，60℃干燥24小時，然后將鐵粉分離，最后便得到鋰離子電池正極材料磷酸鋰鐵粉體。

所述的離心過程基于體系在純凈鐵粉還原保護的狀態之下進行。

所述的分離鐵粉過程處于完全干燥的環境中。

所述的磷酸鋰鐵粉體中基本不含有氧化了的Fe³⁺離子。

本發明的技術效果是利用鐵元素本身的還原特性對生產過程中的產物進行還原保護。同時鐵元素本身又是組成磷酸鋰鐵的必要元素之一，因此沒有任何的污染雜質。