[发明专利]模板水热法合成纳米磷酸亚铁锂材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于电池材料领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料的合成方法。

背景技术

“磷酸亚铁锂材料”和“磷酸亚铁锂电池”是当今电池行业中最热门的关键词。以磷酸亚铁锂材料作为正极材料的锂离子电池具有比同类电池长得多的使用寿命以及具有更为安全的特性，而且其中几乎不含有重金属及贵金属，因此从长远来看这类产品制造成本必然会降低到一个大众能够普遍接受的水平，其产品的性价比将会超过目前所广为使用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及目前的锰酸锂电池和钴酸锂电池。

磷酸亚铁锂材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其理论容量为170mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mAh/g。通过对LiFePO₄进行表面修饰，其实际容量可高达165mAh/g，已经非常接近理论容量。工作电压范围为2.5～4.0V左右。与以上介绍的正极材料相比，LiFePO₄具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉。LiFePO₄的主要缺点是理论容量不高，低温及室温下电导率低，材料振实密度低，导致做成的电池体积比能量小。基于以上原因，LiFePO₄在大型锂离子电池方面有非常好的应用前景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市场竞争力，LiFePO₄却面临以下不利因素：(1)来自LiMn₂O₄、LiMnO₂、LiNiMO₂正极材料的低成本竞争；(2)在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料；(3)LiFePO₄的电池容量不高；(4)在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能，如应用于手机与笔记本电脑；(5)LiFePO₄急需提高其在1C速度下深度放电时的导电能力，以此提高其比容量。(6)在安全性方面，LiCoO₂代表着目前工业界的安全标准，而且LiNiO₂的安全性也已经有了大幅度的提高，只有LiFePO₄表现出更高的安全性能，尤其是在电动汽车等方面的应用，才能保证其在安全方面的充分竞争优势。

纯的磷酸亚铁锂材料导电性不好，限制了其在电池中的容量发挥。解决磷酸亚铁锂材料导电性差的方法有多种，其中之一就是减小所合成的材料的颗粒尺寸，将成品磷酸亚铁锂材料的颗粒控制在纳米尺度内，这样，在后继材料加工成电池时，可以保证电极材料和导电剂能够更加有效的混合，从而解决材料电子导电性能差的问题。同时，接近纳米级尺寸的颗粒可能表现出更加卓越的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用模板水热法合成纳米级锂离子电池正极材料磷酸亚铁锂材料的方法。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种模板水热法合成纳米磷酸亚铁锂材料的方法，包括如下步骤：

A、将物料锂源材料、亚铁源材料和磷源材料，以及模板剂聚乙二醇和水混合，于球磨机中球磨；

B、球磨后的流体分离磨球后，在氩气保护以及473～553K下反应7～24h；

C、物料反应后洗涤、干燥、球磨10～25h，在氩气保护以及873～1023K下烧结3～24h，冷却，到室温后就得到最终产品。

步骤A中锂源材料、亚铁源材料和磷源材料的比例，按锂、亚铁、磷原子的摩尔数比计，优选为1.0～1.1∶1.0∶1.0。水的质量为锂源材料、亚铁源材料、磷源材料和聚乙二醇总质量(即干料总重)的60～180％。本发明中的聚乙二醇选用重均分子量在500～2000范围内的聚乙二醇，优选800～100，如PEG800、PEG1000等，聚乙二醇的质量为亚铁源材料质量的10～20％。

本发明选用的锂源材料选自氯化锂、碳酸锂、硫酸锂或磷酸二氢锂中的一种或几种。磷源材料选自磷酸、磷酸二氢铵或磷酸二氢锂中的一种或几种。亚铁源材料选自氯化亚铁、硫酸亚铁、硫酸亚铁铵或草酸亚铁中的一种或几种。

步骤B和C中的反应以及烧结需在高纯氩气的保护下进行，其中高纯氩气的纯度为99.999％。步骤B中反应的优选的条件为485～500K，8～14h。步骤C中烧结的优选的条件为893～973K，10～20h。