[發明專利]一種高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310504744.2
• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號: CN103531813A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 張建新;丁昭郡;姚斌;路婷婷;馮小鈺
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/1397;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李鵬

技術領域

本發明涉及一種磷酸鐵鋰正極材料及其制備方法，特別是一種鋰離子動力電池用高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的制備方法。

背景技術

磷酸鐵鋰是一種非常有前景的鋰離子電池正極材料，與傳統的LiCoO₂、LiMn₂O₄及其衍生物正極材料相比，磷酸鐵鋰平臺特性好，電壓平穩；理論容量大(170mAh/g)；結構穩定，高溫性能與熱穩定性優異，也更加安全，是中大容量、中高功率如電動汽車用鋰離子動力電池的首選正極材料。并且，其由本身結構導致的導電性差的難點已通過碳包覆得到有效解決。

高溫固相法和碳熱還原法是目前最常用的磷酸鐵鋰生產方法，工藝過程雖簡單，卻難以控制粒徑，無法得到納米級的，均一的產物，因此無法解決主要由粒徑控制的磷酸鐵鋰擴散系數差的問題，這直接限制了產物的容量表現，特別是高倍率下的容量表現。因此，目前工業化生產的磷酸鐵鋰仍然難以滿足大容量，高功率鋰離子動力電池的需要，這成為大型儲能設備，高功率電動工具及輕型電動汽車等產業發展道路上的一大障礙。與固相法不同，水熱法能夠實現有效的粒徑控制，從而解決以上問題，同時，水熱法的工業化實現需要考慮的因素也更多，因此，開發一種簡單的，易于實現的磷酸鐵鋰水熱生產工藝是是目前實現鋰離子動力電池用高容量磷酸鐵鋰產業化和普及應用的關鍵。

發明內容

本發明旨在解決上述問題，而提供一種鋰離子動力電池用高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料，該材料生產工藝簡單，顆粒細小均勻，導電性好，由該材料制備的鋰離子電池，可表現出良好的循環穩定性和高倍率性能，可用做大型儲能設備，高功率電動工具，輕型電動汽車等的動力來源。

本發明的目的還在于提供該納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的制備方法。

為實現上述目的，本發明提供的一種鋰離子動力電池用高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料。所得復合物呈均勻顆粒及短棒狀，直徑在20-200nm，結晶性好，碳包覆效果良好，碳含量為3-12wt%,并表現出優異的循環和倍率性能，10C充放電容量約為120mAh/g,20C容量約為105mAh/g。

本發明還提供了該納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的制備方法，其包括以下步驟：

（1）按化學計量比將鋰源、磷源和碳源溶于50ml水溶液中得溶液A，所述鋰源0.024-0.072mol，磷源0.024mol，碳源0.005-0.012mol；

（2）將鐵源溶于含抗壞血酸絡合劑的30ml水溶液中得溶液B，所述鐵源0.024mol；所述抗壞血酸絡合劑的摩爾量為鐵源摩爾量的0.003-0.05。

（3）B在保護氣體環境中逐滴滴入A中，劇烈攪拌5min，將所得混合懸濁液移至100ml水熱反應釜中,密閉加熱得水熱產物。

（4）水熱產物移至管式爐中，在惰性氣氛保護下燒結得納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料。

所述鋰源包括氫氧化鋰、磷酸二氫鋰中的一種或兩種。

所述磷源包括磷酸二氫鋰、磷酸中的一種或兩種。

所述鐵源包括硫酸亞鐵、硫酸亞鐵胺中的一種或兩種。

所述碳源包括葡萄糖，蔗糖，淀粉中的一種或多種，碳源摩爾量占鐵源摩爾量的20-50at%。

所述水熱溫度為120-200℃，水熱時間為6-24h。

所述燒結溫度為600-750℃，燒結時間為0.5-4h。

所述保護氣氛為：氮氣，氬氣，氬氫混合氣中的一種或多種。

本發明的有益效果是，以簡單的水熱工藝制得結晶性及碳包覆效果良好的，粒徑均勻的納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料，在未添加任何摻雜元素的情況下，該材料實現了優異的循環和倍率性能，是一種理想的大容量，高功率鋰離子動力電池用納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料。

附圖說明

圖1是實施例1所得鋰離子動力電池用高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的X射線衍射圖譜。其中，Intensity：強度；2θ：掃描角度。

圖2是實施例1所得鋰離子動力電池用高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的低倍率場發射掃描電鏡圖片。

圖3是實施例1所得鋰離子動力電池用高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的高倍率場發射掃描電鏡圖片。

圖4是實施例1所得鋰離子動力電池用高容量納米級磷酸鐵鋰/碳復合正極材料的循環及倍率容量表現圖。其中，Cycle?Number：循環次數；charge/discharge?capacity：充/放電容量。