[發明專利]一種納米微孔結構磷酸鐵及其制備方法

在審

• 申請號: 201911040480.3
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN111017899A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 李冬
• 申請（專利權）人: 李冬
• 主分類號: C01B25/37
• 分類號: C01B25/37;B82Y40/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 徐關壽

本發明公開了一種納米微孔結構的磷酸鐵，磷酸鐵外表面及內部分布著納米級的微孔通道，該納米微孔通道在磷酸鐵內部及外表延伸，其孔徑小于50nm。本發明還公開了納米微孔結構磷酸鐵的制備方法，如下步驟：對鐵源做分子聚合處理，將鐵源由單分子狀態轉化成高分子聚合狀態，在控溫條件下，將鐵源與磷酸溶液混合攪拌，在不破壞鐵源聚合態的情況下，將磷酸根與鐵源的酸根置換，形成具有聚合態結構的磷酸鐵溶液；在控溫條件下向磷酸鐵溶液中加入稀釋的堿性溶液調節PH值進行反應，形成磷酸鐵和可溶性鹽類的混合懸浮液；對含有磷酸鐵和可溶性鹽類的混合懸浮液，進行球磨或砂磨，水洗處理掉里面的可溶性鹽類后干燥，即得，該磷酸鐵的比表面積達到90m²/g以上。

技術領域

本發明屬于新材料制備技術領域，尤其是涉及一種納米微孔結構磷酸鐵的及其制備方法。

背景技術

磷酸鐵，又名磷酸高鐵、正磷酸鐵，分子式為FePO₄，是一種白色、灰白色單斜晶體粉末。高純度的二水磷酸鐵的顏色為近白色或淺(淡)黃白色粉末，隨著結晶水的丟失，顏色逐漸變黃，純無水物呈黃白色粉末，其主要用于制造磷酸鐵鋰電池材料，也可用作催化劑及制造陶瓷等。

磷酸鐵是有機農業中批準使用的為數不多幾種滅螺劑之一，與以前使用的四聚乙醛不同，它對寵物和野生動物無毒。在鋼和金屬制造工藝中有使用這種材料，將磷酸鐵粘合到金屬表面，可以防止金屬被進一步氧化，它的存在可以部分解釋德里鐵柱的耐腐蝕性。磷酸鐵涂料也主要用作基底涂層，以便增加到鐵或鋼表面的附著力，且常用于防銹處理。它也可以用于粘接面料、木，或其他材料至上述材料的表面，涂磷酸鐵一般作為噴漆或噴粉涂裝過程的一部分。磷酸鐵雖然電導率低，也可以作為鋰離子電池的嵌入電極，然而，隨著材料工程師克服了電導率問題，近年來其作為電極材料使用越來越普遍，由于FePO₄對熱穩定，普遍較易循環利用，它是電動汽車電池的理想電極材料。

磷酸鐵具有豐富的化學結構，所以同時在催化和鋰電池電極材料等領域有著重要的應用。此外，磷酸鐵還具有豐富的骨架結構，可以用來合成具有空曠骨架結構的微孔磷酸鐵材料。

目前全球電化學儲能項目裝機規模已經達到了697.1MW，其中，中國電化學儲能項目裝機規模100.4MW，在電化學儲能的技術分布中，鋰離子電池已經達到了99％的市場份額，遠遠高于鉛酸電池和液流電池，其中磷酸鐵鋰電池又占據了絕大多數份額，而磷酸鐵做為磷酸鐵鋰正極材料的主要原料，其需求量也隨之急速增加。

目前磷酸鐵的制備工藝多種多樣，其制備的磷酸鐵成分混雜，結構多樣。使用該類磷酸鐵做基體材料制備磷酸鐵鋰，嚴重影響了磷酸鐵鋰材料的各方面性能，也間接影響了磷酸鐵鋰電池的各方面性能。

中國專利110104624A公開了一種《多孔磷酸鐵的制備方法》，其“利用發泡微球在加熱過程中發生膨脹”的方式在磷酸鐵中物理擴張生成孔徑通道；中國專利110182779A公開了一種《磷酸鐵孔道材料的制備方法》，其“制備過程中，當中間產物在空氣中燒結時，乙炔黑氧化揮發，從而使覆蓋在乙炔黑表面的磷酸鐵形成具有開放性孔道的類球形顆粒”的方式在磷酸鐵中物理擴張生成孔徑通道，“當在氮氣中燒結時，乙炔黑能夠良好的分散在磷酸鐵中,…”可以推知磷酸鐵中只有與空氣接觸的表面的“乙炔黑”揮發形成孔徑，磷酸鐵內部沒有或與空氣接觸不足的“乙炔黑”不會揮發，也就不會形成孔徑，仍會以“乙炔黑”的形式存留在磷酸鐵中。

上述兩個專利公開的成孔方法都是通過在磷酸鐵中加入可以高溫氧化揮發的物質，通過高溫氧化揮發該物質的方式在磷酸鐵中物理擴張生成孔徑通道，均為物理成型。物理成孔，孔與孔之間往往不能連通，雖然可以增加一定的比表面積，但孔與孔之間不一定能夠連通，晶體內部的鋰離子通道并沒有有效地打通，而且由于孔道直徑在微米級，過大的孔徑會占據磷酸鐵過多的體積，大大降低了有效成分，減少了孔道的數量，影響成品的能量密度。