[發(fā)明專利]基于化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)鋰離子電池正極材料BiPO4的制備方法及用于制作的鋰離子電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210361778.6
• 申請(qǐng)日: 2012-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN102862967A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王先友;胡本安;楊秀康;舒洪波;魏啟亮;宋云峰;吳昊;吳春;鞠博偉;易蘭花
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B25/37
• 分類號(hào): C01B25/37;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池正極材料，屬于鋰離子電池正極材料與電化學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池作為新型能源，因具有高能量密度、高電壓、高可逆容量、高循環(huán)性能等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)電源，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。但鋰離子電池行業(yè)競(jìng)爭非常激烈，尋找高性能、低成本的新型電極材料是進(jìn)一步降低電池成本、增強(qiáng)競(jìng)爭力的有力手段，而正極材料在電池的制造成本中占據(jù)較大比重，約為40％，因此，正極材料是鋰離子電池研究的重點(diǎn)。

目前，幾乎所有的商業(yè)鋰離子電池正極材料都是基于嵌入反應(yīng)機(jī)理，盡管這類反應(yīng)有著出色的循環(huán)性能，但是僅僅產(chǎn)生有限的容量，隨著現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)功率和能量密度需求的日益增長，這類正極材料將不能滿足社會(huì)需求，因此，尋找更高能量密度的正極材料是下一步研究的方向。可逆化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)因能利用金屬陽離子所有的氧化態(tài)而產(chǎn)生更高的比容量，因此化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理將是一種很好的候選機(jī)理。可逆化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)已經(jīng)在金屬氧化物、硫化物、氫化物、氟化物等化合物中得到證明，化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)過程：

充放電過程實(shí)質(zhì)上是LiX的形成和分解，并伴隨金屬納米粒子的還原與氧化，該類反應(yīng)能充分利用物質(zhì)的各種氧化態(tài)，交換材料中所有的電子，其放出的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)概論上的鋰離子嵌入/脫嵌反應(yīng)。然而目前沒有任何關(guān)于金屬磷酸鹽的化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)的報(bào)道。本發(fā)明中提出一種基于化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)的新型正極材料BiPO₄，其包含三種晶型：六方型、低溫單晶型、高溫單晶型。目前，BiPO₄在各方面領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如催化劑、傳感器、微波介電、光電催化等，但是沒有報(bào)道在鋰離子電池中應(yīng)用。因存在聚陰離子PO₄^3-，通過Bi-O-P誘導(dǎo)效應(yīng)，PO₄^3-中的P-O共價(jià)鍵能穩(wěn)定Bi³⁺，比起相對(duì)應(yīng)的金屬氧化物(Bi₂O₃)，在化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)過程中，這樣的金屬磷酸鹽具有更高的理論輸出電壓。將三種晶型的BiPO₄用于鋰離子電池正極材料的研究，基于反應(yīng)：

該材料具有3.1V左右的理論輸出電壓，265.5mAh?g^-1的理論放電比容量，830.5Wh?kg^-1的理論質(zhì)量能量密度，而且5253.1Wh?L^-1的體積能量密度。而基于反應(yīng)(3)的商品化正極材料LiCoO₂的理論能量密度僅僅為560Wh?kg^-1、2845Wh?L^-1。

因此，因具有高理論容量、理論輸出電壓、理論能量密度，金屬磷酸鹽族化合物將成為新一代很有發(fā)展前景的鋰離子電池正極材料。

發(fā)明內(nèi)容

為了滿足現(xiàn)代社會(huì)高功率、高能量密度想需求，本發(fā)明提供一種基于化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)鋰離子電池正極材料BiPO₄的制備方法及用于制作的鋰離子電池

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)的鋰離子電池正極材料BiPO₄的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)將鉍(III)鹽在質(zhì)量百分比為5-45％的醋酸溶液中在0-80℃下攪拌使之溶解，得到鉍鹽醋酸溶液；

(2)在0.05-1.0mol?L^-1鉍鹽醋酸溶液中，加入分子量為1000-10000、體積質(zhì)量濃度為1-20g?L^-1的聚乙二醇和體積嘗試為5-200mL?L^-1乙醇的混合物作為分散劑，加入體積質(zhì)量濃度為0.1-10g?L^-1OP或體積質(zhì)量濃度為0.1-10gL^-1三乙醇胺作乳化劑，得到鉍鹽混合溶液；

(3)將與鉍(III)同等摩爾量的可溶性磷酸鹽或H₃PO₄溶于去離子水中，得到0.05～1.0mol?L^-1磷酸鹽或H₃PO₄溶液；

(4)在攪拌下，將鉍鹽混合溶液在0-45℃下加入磷酸鹽或H₃PO₄溶液溶液中，即得到BiPO₄沉淀；