[发明专利]锂离子电池的磷酸亚铁前驱物及使用其制备的磷酸锂铁粉末

说明书

本发明主张2013年6月3日申请的美国第13/908,393号优先权，其内容全数并入本发明，以供参考。

技术领域

本发明是关于一种锂离子电池的磷酸亚铁前驱物、使用其制备的磷酸锂铁粉末、及其制作方法，尤其指一种具有高长度对厚度比(length to thickness ratio)的用于制备锂离子电池的磷酸亚铁前驱物、使用其制备的磷酸锂铁粉末、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、笔记本电脑等可携式电子产品，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。早期的锂离子电池是采用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^-→x FePO₄+(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。

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，以筛选出某特定尺寸范围的粉末以制作电池。因此，目前所使用的固态法制备磷酸锂铁粉末，除了须经过机械研磨及过筛步骤因而导致成本增加，更面临所制得的磷酸锂铁粉末尺寸范围大、不均匀等问题。

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微米、次微米、甚至纳米尺寸阴极材料，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用以制作锂离子电池阴极材料的磷酸亚铁粉末及其制作方法，以提供一种具纳米、次微米或微米尺寸并具有高长度对厚度比且可应用于现有磷酸锂铁粉末工艺的磷酸亚铁前驱物。