[发明专利]锂离子电池的磷酸锂铁粉末及其制作方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种磷酸锂铁粉末及其制作方法，尤其指一种适用于锂离子电池的磷酸锂铁粉末及其制作方法。

背景技术

近年来，随着各种可携式电子装置的发展，对于能量储存技术的关注也日益渐增。其中，电池为可携式电子装置主要的电力来源之一，尤其是目前最大宗的手机、笔记型计算机等可携式电子产品，均采用小型二次电池做为电力来源。除了可携式电子装置外，目前二次电池亦应用在电动车上。

于现今所使用的二次电池中，以1990年初期所发展的锂二次电池(或锂离子电池)成为众所瞩目的焦点。早期的锂离子电池系采用LiCoO₂做为阴极材料，因其具有高工作电压、平稳充放电压的优点，故大量应用在可携式产品。而后，更发展出以橄榄石结构LiFePO₄和尖晶石结构LiMn₂O₄做为阴极材料的锂离子电池。相较于以LiCoO₂做为阴极材料，以LiFePO₄和LiMn₂O₄做为阴极材料可更具有较佳安全性、较多充放电次数、较低成本等优点。

虽然LiMn₂O₄具有成本低、安全性佳等优势，但在深度放电时易发生姜-泰勒(Jahn-Teller)效应，导致尖晶石崩坏而影响电池循环性能。LiFePO₄除了拥有低成本和安全性高等两项优势外，理论电容量甚至比LiMn₂O₄更高，而可用于需大电流及高功率的装置上。同时，LiFePO₄更具有无毒且环保的特性，且高温特性佳，故为目前最优异的锂离子电池阴极材料之一。目前的以LiFePO₄做为阴极材料的锂离子电池，其平均放电电压为3.4～3.7V vs.Li⁺/Li。

常见的锂离子电池结构包含：一阴极、一阳极、一隔离板、及一含锂盐的电解质。其中，锂离子电池是依循锂的嵌埋-脱嵌机制进行电池的充放电，其充放电机制如下式(I)及(II)所示。

充电：LiFePO₄-x Li⁺-xe^-→xFePO₄+(1-x)LiFePO₄       (I)

放电：FePO₄+x Li⁺+xe^-→x LiFePO₄+(1-x)FePO₄        (II)

当充电时，锂离子会脱离LiFePO₄结构；而当放电时，锂离子会再进入LiFePO₄结构。因此，锂离子电池的充放电是一个LiFePO₄/FePO₄两相过程。然而，锂离子在LiFePO₄和FePO₄中扩散系数相当低，故一般是于材料中掺杂金属添加物，以提升锂离子扩散速率。此外，以目前发展的LiFePO₄材料而言，因锂离子于粉末结构中行进距离较长，而有导电度差的问题；因此，一般是由包覆碳以增加粉体导电度，以提升电池的充放电效率。然而，无论是掺杂金属添加物或碳包覆，均会增加阴极材料LiFePO₄的工艺步骤，而导致锂离子电池的成本增加。

此外，现今多采用固态法制备LiFePO₄粉末。然而，固态法的烧结温度却与产物性质极为相关。若烧结温度在700℃以下，烧结前原料要充分混合，否则会导致Fe³⁺杂质相；但若烧结温度低于600℃，产物平均粒径小于30μm，温度一提高，粒径分布就大于30μm，而须再加入后续研磨及过筛的步骤使产物粒径介于1μm到10μm间。因此，固态法不易制作出锂离子行进距离为纳米尺寸的LiFePO₄粉末。

因此，目前亟需发展出一种以简便方法制作的锂离子电池用的纳米尺寸阴极材料，除了可提升电池的充放电效率外，更可降低锂离子电池的制作成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池的磷酸锂铁粉末，其具有较短的锂离子行进距离，进而提升锂离子电池的充放电效率。