[發(fā)明專利]一種鋰離子電池正極材料-摻雜金屬離子的磷酸鐵及其制備方法

無效

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• 申請日: 2010-04-29
• 公開（公告）號: CN101841039A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張俊喜;許明玉;任平;華思昊;梅穎;顧志浩;李春秋
• 申請（專利權(quán)）人: 上海電力學(xué)院
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/1397
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化學(xué)電源的材料，更具體地說是涉及鋰離子電池正極材料-摻雜金屬離子的磷酸鐵及其制備方法。

背景技術(shù)

能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)、國家安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基石。目前，綠色無污染的新型高能化學(xué)電源已成為世界各國競相開發(fā)的熱點。理論與實踐證明，鋰離子電池具有其他二次電池不可比擬的優(yōu)勢，鋰離子電池的優(yōu)越性基本上可歸納為：工作電壓高(是鎳氫電池的3倍)；比能量大(可達(dá)180Wh/kg，是氫鎳電池的3倍)；體積小；質(zhì)量輕；循環(huán)壽命長；自放電率低；無記憶效應(yīng)；無污染等。在全球能源與環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻的情況下，鋰離子電池對使用大功率、大能量的應(yīng)用設(shè)備提供了新的選擇。尤其是近年美國提出智能電網(wǎng)的概念加速推進(jìn)了新能源的發(fā)展，智能電網(wǎng)的發(fā)展使各類儲能單元能夠更好地接入電網(wǎng)中，并實現(xiàn)能量的互動，這為目前化學(xué)電源的另一個應(yīng)用熱點-電動汽車的發(fā)展注入了新的活力。電動汽車中所使用的化學(xué)電源不但可以用于汽車的能源，還可以是電網(wǎng)中的儲能單元，起到削峰填谷和穩(wěn)定電能質(zhì)量的作用。磷酸鐵鋰為正極的鋰離子電池由于其原料來源廣，環(huán)境友好，性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，已成為各領(lǐng)域看好的鋰離子電池。但是，磷酸鐵鋰正極材料仍存在諸多不足，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品批次不穩(wěn)定，而且由于磷酸鐵鋰中含有二價鐵，使得整個合成工藝中都必須有惰性氣氛保護(hù)，增加了生產(chǎn)成本，制約了該材料的發(fā)展。從已有的研究來看，磷酸鐵作為鋰離子電池的正極材料也具有較高的電化學(xué)活性，在低倍率放電條件下，比容量可達(dá)130mAh/g。

FePO₄材料作為鋰離子電池的正極材料有諸多優(yōu)點：(i)合成工藝更簡單，由于合成中沒有Fe(II)組分，不需要氣氛保護(hù)，省去了相應(yīng)的設(shè)備和投入；(ii)FePO₄材料的合成為二元合成體系，便于控制和優(yōu)化合成條件；(iii)由于采用Fe(III)化合物為原料，使合成原料來源更廣。所有這些優(yōu)點可使得FePO₄材料更具低成本、規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)勢，如果直接以磷酸鐵為鋰離子電池的正極材料，則可望成為鐵基鋰離子電池正極材料的后起之秀。然而在鋰離子電池正極材料磷酸鐵的研究中，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵在電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性方面較差，嚴(yán)重制約了該材料的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一為了解決上述問題，提出一種鋰離子電池正極材料-摻雜金屬離子的磷酸鐵。

本發(fā)明的目的之二是提供上述的一種鋰離子電池正極材料-摻雜金屬離子的磷酸鐵的制備方法。

鋰離子正極材料磷酸鐵的改性技術(shù)。在本方法中通過對磷酸鐵進(jìn)行離子摻雜改性，提高磷酸鐵作為電池材料中的導(dǎo)電性。進(jìn)而促進(jìn)磷酸鐵在鋰離子電池中的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案

通過摻雜金屬離子，可以改善磷酸鐵的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體性能，提高該材料的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性能，使其在電池充放電中具有更高的放電倍率和放電容量。在摻雜方法上，通過固相合成或液相合成使得摻雜離子能夠均勻的混合在前軀體中，并通過燒結(jié)進(jìn)入磷酸鐵品格中。

一種鋰離子電池正極材料-摻雜金屬離子的磷酸鐵，其中的Fe：摻雜金屬離子：P的摩爾比為0.92～0.99∶0.01～0.08∶1，其中摻雜金屬離子為Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺。

上述一種鋰離子電池正極材料-摻雜金屬離子的磷酸鐵的共沉淀制備方法，包括如下制備步驟：

(1)、原料的混合

將磷源、鐵源及摻雜金屬離子加入到盛有純水的容器中溶解混合，形成磷源、鐵源及摻雜金屬離子原料混合物；

所述的磷源為可溶性的磷酸鹽或磷酸；其中可溶性的磷酸鹽為(NH₄)₂HPO₄或NH₄H₂PO₄；

其中鐵源為鐵的碳酸鹽、醋酸鹽、硝酸鹽、鐵的氧化物或鐵的氫氧化物；

其中摻雜金屬離子為Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺的可溶性鹽或氫氧化物或氧化物；Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺的可溶性鹽為Al³⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Ce³⁺的硝酸鹽或醋酸鹽；

(2)、摻雜金屬離子的磷酸鐵的前軀體的制備