[发明专利]一种碳包覆的锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，，特别涉及一种碳包覆的锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备方法。

背景技术

电池发展的主流趋势是向绿色环保型转变，其中锂离子电池、燃料电池等新型电池发展迅速；为符合可持续发展理念，二次可充电池将逐渐取代一次电池；新型电池进一步向小型化、轻型化方向发展。锂离子电池有工作电压高，质量轻、实际充放电比容量大、循环寿命长、且是环保型电池等优点，在交通、运输、通讯、办公自动化、矿产勘察、军事武器等与国民经济和人民日常生活息息相关的领域中有着极为广泛、极其重要的作用，因而受到国内外各领域研究者的关注。对锂离子电池的研究，从正、负极材料的合成、电解质的研制、电池中电极反应机理以及通过一定手段进行改性提高锂离子电池的电化学性能都是目前研究的热点。其中如何提高锂离子电池正极材料的性能是锂离子电池发展的关键。橄榄石型结构LiFePO4以其安全性高、环境友好、成本低、比容量较高以及循环性能稳定等优势，是目前研究的热点。但如何实现高性能材料的大规模量产化仍需进一步研究。

目前的锂离子电池正极材料LiFePO4的原材料主要以固相合成为主，其制备过程中主要将铁源、锂源和磷源化合物通过球磨分散，然后再通过高温烧结得到磷酸铁锂的正极材料。在固相法合成中，目前成本较低的生产工艺以Fe2O3的碳热还原法为主，即以碳作为还原剂将Fe2O3还原为二价铁，并与锂源和磷源在高温下形成LiFePO4。这种方法所得的锂离子电池正极材料LiFePO4成本较低，但是由于碳热还原难以控制，容易将三价铁还原为单质铁而产生杂相。而且，铁源、锂源和磷源的固相分散也会由于分布不均匀而产生杂相。而该问题正是本发明要解决的问题。

为了解决上述碳热还原中导致的过还原问题，本发明提出了一种采用铁粉对Fe2O3进行还原并引入辅助还原剂进而获得碳源包覆的锂离子电池正极复合材料LiFePO4/C的方法。在本方法中利用三价铁与单质铁可以获得二价铁的原理，可以精确控制Fe2O3的还原，避免Fe2O3过还原为单质铁而产生Li3PO4等杂相。因此，本发明主要以绿色化学作为主要思想，以钢铁厂副产物Fe2O3作为主要原材料，采用湿法合成锂离子电池正极材料LiFePO4，并利用工艺路线中的辅助还原剂实现对合成材料的碳包覆改性。本方法可将钢铁厂副产物得到充分的回收利用，使其价值最大化，并且可以节约社会资源。本方法合成过程中的副产物为水，整个过程没有废气、废水和废渣的排放，可实现材料的清洁生产，符合科学发展观的要求。

本发明可以提高氧化铁的利用价值，产生较大的社会经济效益。在已有关于利用Fe2O3合成磷酸铁锂的方法中，主要采用碳热还原法进行。但是在实施过程中由于碳热还原会产生单质铁，使得合成材料中产生杂相导致材料性能下降。而采用Fe2O3与Fe粉为原料合成磷酸铁锂正极材料则可以避免这一不足。通过计量比的铁粉和氧化铁发生反应产生二价铁并与磷源和锂源得到磷酸铁锂。

发明内容：

本发明的目的是为了解决利用Fe2O3合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂的方法中存在的过还原问题，而提出一种利用铁粉还原Fe2O3，并利用辅助还原剂的碳化获得碳源包覆的锂离子电池正极材料LiFePO4/C的方法。

本发明的技术方案

一种碳包覆的锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备方法，即将三氧化二铁、还原剂、辅助还原剂、磷酸、氢氧化锂通过球磨分散后，再通过高温烧结即得碳包覆的锂离子电池正极材料LiFePO4/C。

所用的还原剂为Fe粉，优选铁粉颗粒粒径为200～500目；

所用的辅助还原剂为抗坏血酸或葡萄糖。

上述的一种碳包覆的锂离子电池正极材料LiFePO4/C的制备方法，其具体的制备过程包括如下步骤： 

（1）、首先在球磨罐中加入去离子水，按化学计量比加入磷酸和三氧化二铁，混合均匀，在球磨机上球磨2小时，再加入还原剂铁粉和辅助还原剂材料继续球磨2小时，最后加入氢氧化锂继续在球磨机上球磨2小时，即得到磷酸铁锂前驱体；

其中磷酸、三氧化二铁、铁粉和氢氧化锂的加入量按摩尔比计算，即磷酸：三氧化二铁：铁粉：氢氧化锂为3:1～1.4：0.6～1：3；优选磷酸：三氧化二铁：铁粉：氢氧化锂为3:1： 1：3；

所加入的辅助还原剂材料的量按其与铁粉的质量比计算，即辅助还原剂的加入量为铁粉质量的2～5%，优选为2%；主要避免合成中铁粉和Fe2+组分与空气接触发生氧化。