[发明专利]一种用水热法合成碳包覆焦磷酸亚铁锂的方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料领域，涉及一种锂离子电池正极活性材料焦磷酸亚铁锂的合成方法，具体涉及一种用水热法合成碳包覆焦磷酸亚铁锂的方法。

背景技术

自1990年提出至今，锂离子电池的商业化取得了巨大的成功，取代传统铅蓄、镍氢、镍镉电池，在便携式电子产品领域占据主导地位。随着人们需求的不断增加，锂离子电池被期望在大规模储能、电动汽车等领域发挥更大的作用。

层状LiCoO₂、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料在便携式储能装置中得到广泛应用，然而在用作大型储能、动力电池时，高成本、较差的安全性能制约了其大规模的应用。LiFePO₄一度被认为是解决上述问题的最佳选择，橄榄石形状的LiFePO₄拥有170mAh/g的理论容量，3.4V的对Li/Li⁺电位，同时价格低廉，循环性能好，易于合成。但实际上，以LiFePO₄单体电池组装成的大型动力电池循环性能远不如预期，同时其较差的导电性能限制了电池的大倍率充放电。目前，一种新的正极材料Li₂FeP₂O₇被提出，其拥有3.5V的对Li/Li⁺电位，单电子理论容量为110mAh/g。

固相法是目前制备Li₂FeP₂O₇的常用方法，但固体原料难以达到微观混合，尽管常采用反复球磨和煅烧，但化学反应不均匀，颗粒生长与团聚难以控制，颗粒不均匀，晶型无规则，反应温度高，合成周期长(一般需要在600-650℃条件下煅烧12h以上)，批次稳定性差，放电比容量一般在80-100mAh/g的范围内波动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有合成方法中正极材料焦磷酸亚铁锂颗粒不均匀、晶型无规则、反应温度高、电化性能不佳等缺点，提供一种反应温度较低、合成方法简单的用水热法合成碳包覆焦磷酸亚铁锂的方法，所制备得到的正极材料碳包覆焦磷酸亚铁锂电化学性能优异。

所述焦磷酸亚铁锂正极材料的基体为纳米焦磷酸亚铁锂，基体外包覆碳材料。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种用水热法合成碳包覆焦磷酸亚铁锂的方法，包括以下步骤：

（1）按锂源、铁源和磷源中锂元素、铁元素和磷元素的摩尔比为1.8～9: 1: 1.5~3.0称取原料，按碳源中的碳元素与焦磷酸亚铁锂的质量比为0.005～0.4:1称取碳源，将碳源溶解在蒸馏水或去离子水（优选去离子水）中，在50-90℃水浴加热、搅拌溶解；将锂源、铁源、磷源分别溶解在去离子水中，搅拌均匀后，将铁源、锂源依次加入到溶解有碳源的溶液中，控制碳源浓度为0.025-0.2mol·L^-1，铁源中铁离子的浓度为0.025-0.2mol·L^-1，然后加氨水调节混合溶液的pH至4-6，再加入磷源，将混合溶液在50-90℃水浴加热，搅拌1-2h；

（2）将经步骤（1）处理的混合溶液在150-350℃（优选180-220℃）、压力为1-10Mpa下反应3-10h（优选4-8h），反应结束后冷至室温，固液分离，所得固体即为前驱体固相产物；

（3）将步骤（2）所得前驱体固相产物在80-120℃真空干燥箱内烘烤6-12h，然后在保护性气氛下，在400-700℃（优选450－550℃）温度下烧结2-15h（优选4-10小时），即得碳包覆焦磷酸亚铁锂正极材料。

进一步，步骤（1）中，所述锂源为乙酸锂、氢氧化锂、柠檬酸锂、硝酸锂、磷酸二氢锂、碳酸锂、草酸锂中的至少一种；所述组合典型但非限制性的例子有：磷酸二氢锂和氢氧化锂的组合，碳酸锂和硝酸锂的组合，醋酸锂和柠檬酸锂的组合，氢氧化锂、磷酸二氢锂和柠檬酸锂的组合，特别优选为氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂中的至少一种。

进一步，步骤（1）中，所述铁源为硝酸铁、氯化铁、氯化亚铁、草酸亚铁、硫酸亚铁、硫酸铁中的至少一种；所述组合典型但非限制性的例子有：硫酸亚铁和草酸亚铁的组合，硫酸铁和硝酸铁的组合，氯化铁、硫酸铁和硝酸铁的组合，氯化亚铁、草酸亚铁和硫酸亚铁的组合，硝酸铁、草酸亚铁和硫酸铁的组合；特别优选所述铁源为硝酸铁、氯化亚铁、硫酸铁中的至少一种。