[发明专利]一种纳米级磷酸铁锂电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种纳米级磷酸铁锂电极材料及其制备方法。属于电池电极材料。特别涉及锂离子电池电极材料及其制造方法。

背景技术

锂离子电池具有电压高、无记忆效应、能量密度高及循环性能良好等特点，已广泛用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等便携式电子设备中，其应用范围正在向电动工具、电动汽车等大功率电源领域拓展，开发应用前景广阔。

锂离子电池的正极材料的性能决定了锂离子电池的性能。目前，锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂，由于钴有毒且钴资源有限、镍酸锂制备困难、锰酸锂的循环性能和高温性能差。因此，这些锂离子电池正极材料无法满足锂离子电池向比容量高、寿命长、成本低和环境兼容方面发展的要求。

1997年Goodenough课题小组[2]报道了具有橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO₄)能够可逆地嵌脱锂，且具有比容量高、循环性能好及电化学性能稳定、价格低廉等特点，是新一代绿色正极材料，LiFePO₄电极材料的发现，确实标志着“锂离子电池一个新时代的到来”。

但是，纯相LiFePO₄的导电率、振实密度和离子扩散速率较低，限制了其应用。为此，人们对LiFePO₄进行了改性研究。

LiFePO₄材料虽然具有许多优良的电化学性能，放电平台为3.4V(vs.Li+/Li)，理论容量约为170mah/g，但是还存在扩散系数小，离子电导率和电子电导率低等方面的问题，LiFePO₄中的FeO₆八面体共顶点，由于被多氧原子阴离子PO₄^3-四面体分隔，无法形成连续的FeO₆网络结构，从而降低了电子传导性。另一方面，晶体中的氧原子按接近于六方紧密堆积的方式排列，只能为锂离子提供有限的通道，使得室温下锂离子在其中的迁移速率很小。

现有技术中的锂离子电池正极材料还存在如下问题，有待解决：

1.电子电导率比较低，在室温下，LiFePO₄的电导率仅为10^-9～10^-10S/cm，而LiCoO₂和LiMn₂O₄分别为10^-3S/cm和10^-4S/cm，导致其循环性能以及高倍率充放电性能不是很好。

2.在脱嵌锂过程中，LiFePO₄中锂离子跨越LiFePO₄/FePO₄相界面的迁移速率很小，在插锂过程中，LiFePO₄相的面积不断减小，所以在高电流密度下放电时，可以在相界面上通过的锂离子的量不足以维持这么大的电流，从而导致可逆容量的降低。

3.振实密度比较低，从而影响了材料的体积比能量。

4.目前磷酸铁锂的制备多采用正磷酸铁，草酸亚铁等为前驱物进行固相反应，生产的产品颗粒团聚现象较严重，导致材料的表面活性较低，制备的磷酸铁锂比容量小，粒度分布不均匀，产品质量不稳定，限制了锂电池的使用范围。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种充放电性能好、容量大，振实密度高、材料的体积比能量大，产品为纳米级粉体，颗粒间无团聚、材料的表面活性高，比容量大、粒度分布均匀、产品质量稳定的理想的纳米级磷酸铁锂电极材料。

本发明的目的还在于提供一种制备工艺简单，原料便宜易得，无污染，操作容易控制，生产成本较低的纳米级磷酸铁锂电极材料的制备方法。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：

本发明的纳米级磷酸铁锂电极材料，其特征在于包括如下按照重量百分比计的原料组分：

磷酸铁锂活性物质        100％

导电剂                  3％～30％

碱金属助熔剂            10％～30％。

本发明的发明人通过多次实验筛选出上述优选的纳米级磷酸铁锂电极材料的原料组分和配比，使得电极材料在化学成分，相成分，粒度分布范围，诸项技术指标得到有效控制，产品的粒度分布均匀，且达到纳米级粒径，有效地提高了充放电性能，碱金属助熔剂的加入，显著的降低了烧结温度，达到了缩短烧结时间、节约成本的目的。

本发明的目的还可以通过如下措施来达到：