[发明专利]一种共沉淀技术制备锂离子电池正极材料硼酸铁锂的方法

说明书

（一）        技术领域

    本发明涉及一种锂离子电池正极材料的方法，特别涉及一种共沉淀技术制备锂离子电池正极材料硼酸铁锂的方法。

（二）        背景技术

锂离子电池因其具有能量密度高、输出电压高、自放电低、无记忆效应、循环寿命长等优点，被广泛应用在手机、笔记本电脑等消费电子产品、电动工具、储能装置、电动车及混合电动车上。锂离子电池由正负极材料、电解液、隔膜、集流体等多个部分组成，电极材料是锂离子电池最主要组成部分，电极材料的性能是电池总体性能的决定性因素，其中正极材料决定了锂离子电池的电位，所以是决定单电池容量的主要影响因素，其成本约占整个电池的40%左右，因此正极材料的组成设计、制备方法和性能很大程度上决定了锂离子电池的最终性能和价格。

目前锂离子电池常用正极材料是锂过渡金属复合氧化物，包括钴酸锂（LiCoO₂）、镍酸锂（LiNiO₂）及其衍生材料，如镍钴酸锂（LiNi_0.8Co_0.2O₂）、镍钴锰酸锂（LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂）等。国内外对此开展了大量基础研究并基本实现产业化。但这些正极材料往往包含比较稀少的金属元素如Co、Ni等，造成价格较高，生产工艺要求较高，同时工作不稳定，容易受热、撞击而发生爆炸、燃烧等种种事故，这对锂离子电池在电动汽车等新领域的应用是致命的问题。例如钴酸锂是一种目前最常用的商用锂离子电池正极材料，但它由于含有稀有的钴元素，生产成本高，合成制备条件要求高，由于其自身的电化学特性，自身撞击或剧烈动作时易爆炸，在电动汽车领域应用还面临着成本较高、安全性较低以及能量密度不够高、使用寿命不长以及高低温性能较差等问题，因此有必要寻找和开发新型廉价锂离子电池正极材料。

近来广受瞩目的磷酸铁锂和锰酸锂由于安全性好、成本低、资源丰富，被认为是具有发展前景的动力锂离子电池正极材料。但受限于过渡金属元素氧化还原反应，其能量密度有限，比容量低于160 mAh/g，能量密度低于500 Wh/kg，不能满足更高能量密度的动力电池要求，应用于电动汽车中，往往会导致“里程焦虑”。

最近，日本东京大学和东京工业大学Nobuyuki Iwane联合研究组，报导了一种新型正极材料硼酸铁锂，这类材料具有良好的电化学性能，高比容量、良好的循环能力以及新的电化学充放电机制。硼酸铁锂相比磷酸铁锂的优势在于其更高的比容量（~220mAh/g），更好的导电性（电导率~3.9×10^??7S/cm），极小的体积变化率（~2%）。从结构上来说，硼酸根离子比磷酸根离子的摩尔质量小很多（58.8 < 95），且硼酸铁锂的结构能够同时提供锂离子导电和电子导电。报告的电池比容量为190mAh/g，充电/放电效率达到了98%，操作电压为3V，2C放电20次以后，容量还能保持75%以上。由于硼酸铁锂具有良好的可逆性、高比容量、良好的循环能力、优异的化学及电化学稳定性，因此硼酸铁锂是一种非常有开发前景的锂离子电池正极材料。

目前，合成硼酸铁锂的主要方法是在惰性气体保护下的高温固相反应法，但是这类制备工艺具有过程复杂多变、能耗过大、成本较高等缺点，并且所得到的材料纯度不高、颗粒较大、电化学性能差。另外有采用溶胶凝胶法制备硼酸铁锂的技术，但这一方法需要先生成溶胶凝胶，再将溶胶凝胶球磨后压片，后续还要进行烧结，同时合成溶胶凝胶还需要采用螯合剂，生产程序复杂，成本较高，因此这类方法也存在很大缺陷。

（三）        发明内容

    本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种步骤简单、生产成本低的共沉淀技术制备锂离子电池正极材料硼酸铁锂的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种共沉淀技术制备锂离子电池正极材料硼酸铁锂的方法，以氢氧化铁和硼酸为原料，包括如下步骤：

（1）将摩尔比为1:1的氢氧化铁和硼酸依次添加于水中，在室温下搅拌30-45分钟得到沉淀物；

此步骤发生如下反应，生成硼酸铁：

Fe(OH)₃+H₃BO₃=FeBO₃+3H₂O。

（2）将沉淀物从水溶液中过滤分离出来，干燥后往沉淀物中添加碳酸锂和炭黑或石墨颗粒物，并充分混合；