[发明专利]一种复合结构磷酸铁材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸盐，具体地说是一种具有复合结构磷酸铁/碳材料的制备方法，有效改善了材料的高倍率性能和低温性能。

背景技术

磷酸铁锂材料近年来已经成为动力锂离子电池的首选正极材料。因此，磷酸铁锂材料拥有其他的正极材料不具备的安全性、稳定性和长循环寿命的性能。利用磷酸铁为原料合成的磷酸铁锂，具有容量高、烧结时间短、性能稳定等优点，已经成为日渐广泛的合成工艺路线。例如公开的专利文献，CN 1581537、CN 1753216、CN 1958440、CN 1958441和CN 1884053所提出的磷酸铁锂制备方法中，都采用磷酸铁作为主要合成原料。

传统制造的磷酸铁材料具有较高的纯度和稳定的成分比例。因而，在合成过程中，磷酸铁会首先脱水变成无水磷酸铁，然后与锂离子和碳包覆剂反应，生成碳包覆的磷酸铁锂材料。但是，在烧结过程中，磷酸铁晶体颗粒会逐渐长大，最终变成微米级的磷酸铁锂颗粒。众所周知，磷酸铁锂中锂离子扩散能力较弱，在微米级的磷酸铁锂晶粒中迁移比较困难。因此造成了磷酸铁锂材料的高倍率性能和低温性能不好。究其原因，完整的磷酸铁大晶粒是造成以上问题的主要因素。从目前各个生产厂家的工艺来看，如果继续使用传统的磷酸铁材料和合成工艺，无法从根本上解决问题。因此，必须加以改进和完善。

发明内容

鉴于上述技术现状，本发明提供了一种复合结构磷酸铁材料的制备方法，具有可防止在磷酸铁锂的制造过程中单晶晶粒的长大。在纳米或亚微米的尺度上，实现磷酸铁材料的复合交叉结构，从而在随后的磷酸铁锂制造过程中，制成微观上具有混合结构的磷酸铁锂，从而大幅度减少锂离子的扩散距离，增加磷酸铁锂材料的高倍率和低温性能。

本发明的复合结构磷酸铁材料的制备方法是：

首先用1-20％浓度的硝酸溶解固体的磷酸铁，制成磷酸铁摩尔浓度0.1～10M的水溶液，然后，将纳米结构的碳材料用水分散制成1-10％浓度的悬浊液，加入悬浊液总重量0.01-1％的有机溶剂作为润湿剂，再将磷酸铁溶液和碳悬浮液按照磷酸铁∶碳＝100∶0.1-5的比例混合后，进行喷雾干燥，硝酸被干燥挥发，得到具有磷酸铁/纳米碳复合结构的材料。

在本发明中，所涉及的纳米结构的碳材料是选用乙炔黑、纳米碳管、石墨烯之任一种。

在本发明中，所指的有机溶剂是选用无水乙醇、丙酮、乙醚、N-甲基吡咯烷酮之任一种。

总之，本发明的有益效果是：利用本发明制得的复合结构磷酸铁材料，纳米碳均匀地分布在磷酸铁之间，在随后的磷酸铁锂合成过程中，有效地阻止了磷酸铁锂材料大晶粒的形成。使磷酸铁锂材料的一次晶粒从2-3微米减少到0.2微米以下，-20度0.5C放电容量从30％左右，提高到50％左右，极大地改善了磷酸铁锂材料的低温性能。材料5C放电电压平台从2.95V提高到3.01V，有效改善了材料的高倍率放电性能。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

用1升1％浓度的硝酸溶解18.6g固体磷酸铁，制成磷酸铁摩尔浓度0.1M的水溶液。然后，将0.0186g乙炔黑，先用0.186mg的无水乙醇润湿增加分散效果，然后加入1.85g水分散，制成1％浓度的悬浊液，然后将磷酸铁溶液和碳悬浮液全部混合，此时磷酸铁和碳重量比为100∶0.1，液体进行喷雾干燥，得到具有磷酸铁/纳米碳复合结构的材料。

实施例2

用1立方米20％浓度的硝酸溶解1860Kg固体磷酸铁，制成磷酸铁摩尔浓度10M的水溶液，然后，将93Kg纳米碳管，先用0.93Kg的丙酮润湿，然后加入836Kg水分散，制成10％浓度的悬浊液，然后将磷酸铁溶液和碳悬浮液全部混合，此时磷酸铁和碳重量比为100∶5，液体进行喷雾干燥，得到具有磷酸铁/纳米碳复合结构的材料。

实施例3

用5立方米5％浓度的硝酸溶解930Kg固体磷酸铁，制成磷酸铁摩尔浓度1M的水溶液，然后，将9.3Kg乙炔黑，先用0.4653Kg的N-甲基吡咯烷酮润湿，然后加入176.2Kg水分散，制成5％浓度的悬浊液，然后将磷酸铁溶液和碳悬浮液全部混合，此时磷酸铁和碳重量比为100∶1，液体进行喷雾干燥，得到具有磷酸铁/纳米碳复合结构的材料。