[發明專利]一種鋰離子電池電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201110424814.4
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102522545A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 李正耀;夏定國;汪夏燕;尚懷芳;劉淑珍
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明涉及鋰離子電池電極材料的制備方法，尤其是將一種新的材料合成方法用于制備鋰離子電池電極材料，并首次成功制備出一種新型鋰離子電池無定型磷酸鹽Fe基正極材料，同時也能用于制備鋰離子電池其它正極材料與負極材料的制備，屬于鋰離子電池材料技術領域。

背景技術

由于化石燃料的日趨減小以及由此帶來的全球性的環境與氣候問題，特別是近些年新能源汽車的發展，人們迫切需要成本低、安全性良好的清潔型新能源。目前，鋰離子電池被認為是具有較高能量密度的新型儲能系統來滿足人們的這些需要，為混合動力汽車、插入式混合動力汽車及純電動車提供動力，減少CO₂等氣體的排放。鋰離子電池的發展，其中材料是關鍵之一，而正極材料是限制鋰離子電池發展的重要因素，它決定著鋰離子電池的能量密度、安全性、循環壽命等。

目前廣泛研究的鋰離子電池正極材料主要有三種：層狀嵌入化合物LiCoO₂、Mn基尖晶石材料與晶體態LiFePO₄為代表的聚陰離子型化合物。層狀LiCoO₂具有制備技術成熟、商業化良好、容量較高等優點，但是其安全性較差，為其實際大規模應用帶來一定的限制；Mn基尖晶石材料如LiMn₂O₄具有成本低、原料來源廣泛、環境友好、熱穩定性好等優點，但是循環穩定性差、容量衰減嚴重；晶體LiFePO₄具有循環穩定性好、環境友好、成本低、安全性好、電壓適中等優點，成為動力電池的首選，但是其具有低的電導率、低的離子擴散系數及較低的密度等缺點。

對原有正極材料進行改性與開發新型正極材料是兩個需要同時進行的工作。磷酸鹽基材料由于具有良好的穩定性與安全性而受到廣泛關注；Fe基材料因其成本低、環境友好等優點也成為研究的重點。利用世界范圍內出現的材料合成新技術、新方法將二者相結合開發新型正極材料不僅豐富了正極材料種類，促進鋰離子電池的發展，而且也為新材料的研究提供了一種全新的思路。

微流控技術是最近十年才出現的一種新方法，具有良好的傳質與傳熱能力、連續性操作、良好的安全性與精確可控性、反應流體體積微小與產物均一、生產能力容易放大等傳統方面不能相比的優點，具有很大的發展潛力與實際應用能力，已經在量子點(如CdS、CdSe、ZnS等)、金屬單質(Pt、Pd、Au、Ag、Co等)、簡單氧化物(如TiO₂、SiO₂、Fe₂O₃)、及其它化合物(如FeOOH)等材料合成方面得到應用，取得了非常好的實際效果。

發明內容

本發明是將一種新的材料合成方法-微流控技術-引入到鋰離子電池領域，首次用于制備鋰離子電池電極材料，并成功制備出一種新型鋰離子電池無定型磷酸鹽Fe基正極材料。微流控法具有良好的傳質與傳熱能力、連續性的操作、良好的安全性、精確的可控性及生產能力容易放大等優點，我們首次用此方法制備鋰離子電池正材料；制備的新型Fe基正極材料為無定型態，與傳統的晶態LiFePO₄明顯不同，其電壓平臺與充放電機理發生明顯改變，所制備的材料為固溶放電，而晶態LiFePO₄為兩相放電機制。

本發明提出的制備方法及應用到新型鋰離子電池磷酸鹽Fe基正極材料的制備方法，采用微流控技術，可以為一級結構流程(如圖1)，也可為二級(或多級)結構流程(如圖2)，由一級結構串聯與并聯組成。具體包括如下步驟：

(1)配制前驅體溶液：首先向蒸餾水或去離子水中通入惰性氣體如N₂或Ar以除去水中氧氣，然后按離子濃度Fe²⁺∶Li⁺比1∶1的比例將亞鐵鹽和鋰鹽溶于蒸餾水或去離子水中，得溶液A，并繼續通入惰性氣體保護，然后密封保存以備用；將磷酸鹽溶于同樣除去氧的蒸餾水或去離子水中，得溶液B，并繼續通入惰性氣體保護，然后密封保存以備用。