[发明专利]一种喷雾干燥法制备高性能锂电池正极材料的工艺

说明书

技术领域

本发明公开了一种喷雾干燥法制备高性能 LiFePO₄/C锂电池正极材料的工艺。

背景技术

在众多锂离子电池正极材料中，橄榄石型磷酸铁锂具有结构稳定、充放电电压平台

平坦、无毒、廉价等优点，是最有前途的正极材料之一。但是，其低的电子电导率、离子扩散系数以及振实密度小制约其广泛应用。为了解决这些问题，目前主要通过三种途径来提高材料的性能：1）优化材料形貌或细化材料粒径；2）在结构中掺入杂原子；3）将样品包覆导电剂。采用的各种新型方法来制备高性能的磷酸铁锂包括：溶胶凝胶法、水热法、溶剂热法、超临界水热法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法等，由于耗时、设备复杂、成本高等问题而不能大规模生产。

为了克服上述问题，本发明使用聚乙烯醇（PVA）添加物作为辅助模板，结合喷雾干燥技术和碳热还原法制备了高性能的LiFePO₄/C复合材料正极材料，该高性能  LiFePO₄/C不仅是球形，而且需要有特殊的二级结构，有利于利于电解液的进入和锂离子的嵌入和脱嵌，极大提高了锂电池的整体性能。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，发明一种喷雾干燥法制备高性能 LiFePO₄/C锂电池正极材料的工艺。其技术方案是一种喷雾干燥法制备高性能 LiFePO₄/C锂电池正极材料的工艺，其特征是：通过往前驱体溶液中添加聚乙烯醇（PVA）添加物作为辅助模板，采用有机物辅助喷雾干燥法成功地制备了高性能的具有二级结构的球状LiFePO₄/C锂电池正极材料。同时优化PVA的添加量和前驱体焙烧温度，改良工艺，适应工业化大规模生产的需要。

具体工艺：按化学计量比称取 Li₂CO₃、Fe(NO₃)₃·9H₂O 和 NH₄H₂PO₄，加入去离子水配成浓度为 0.5 M 的前躯体溶液（按 Fe³⁺的浓度计算）。按每摩尔 Fe³⁺加入 150 g PVA（聚合度 n=600）有机物强烈搅拌形成均匀溶液或乳液，这些有机物在喷雾干燥过程中作为辅助模板剂，在高温焙烧过程中又作为还原剂和碳源。

       将上述溶液或乳液通过喷雾干燥器进行喷雾干燥得到前躯体粉末，喷雾干燥器的进口温度为220℃ ，进料速度为 6 mL/min，将得到的粉末样品在高纯 N₂ 气氛保护下以 10℃/min 的速度升温到 750℃ 保温 10 h 得到 LiFePO₄/C 样品。

本发明的特点是：我们通过往前驱体溶液中添加不同的有机物，采用有机物辅助喷雾干燥法成功地制备了高性能的 LiFePO₄/C。添加PVA对喷雾干燥法制备 LiFePO₄/C 形貌和电化学性能的影响显著，制备的样品为有微米纳米二级结构的 LiFePO₄/C 微米球。XRD分析表明添加有机物对还原Fe(III)和形成 LiFePO₄是必不可少的；以 PVA 作为有机添加剂制备的样品材料不仅具有漂亮的形貌、而且具有非常优异的电化学性能。制备的球形 LiFePO₄具有很多优点，如高的振实密度、高的界面性能、电极制备容易等特点。通过添加不同的有机物，如柠檬酸、葡萄糖、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）等，可以得到具有不同形貌的高性能球形LiFePO₄/C。该发明不仅提供了大规模制备高性能LiFePO₄/C复合正极材料的方法，而且也为大规模制备特殊形貌的其他复合正极材料提供了思路。

具体实施方式

一种喷雾干燥法制备高性能 LiFePO₄/C锂电池正极材料的工艺，其特征是：通过往前驱体溶液中添加聚乙烯醇（PVA）添加物作为辅助模板，采用有机物辅助喷雾干燥法成功地制备了高性能的具有二级结构的球状 LiFePO₄/C。同时优化PVA的添加量和前驱体焙烧温度，改良工艺，适应工业化大规模生产的需要。