[发明专利]一种掺杂磷酸铁锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磷酸铁锂正极材料合成领域，尤其涉及一种掺杂磷酸铁锂正极材料及其制备方法。

背景技术

目前市场前景良好的锂离子二次电池正极材料LiFePO₄，因具有原料来源广泛，热稳定性好，对环境友好，理论容量和工作电压高等优点而备受关注，然而LiFePO₄的电导率及锂离子扩散系数均较低。这种导电性限制可以通过以下3种途径改善，即(1)合成形貌规则，粒径小均匀颗粒；(2)颗粒表面进行改性；(3)掺杂金属离子。电导率低和离子扩散系数低可通过包覆碳和减小颗粒粒径得到明显改善，但掺碳必将导致其振实密度和体积比容量低，制作电池体积庞大。因此，提高振实密度也是该材料能否应用的关键。大量研究表明，球形，纳米，孔状结构是提高LiFePO₄堆积密度和体积比容量的有效手段。合成方法明显影响材料的电化学性能，LiFePO₄合成多采用高温固相法，此方法优点是工艺简单，易实现工业化，但反应物不易混合均匀，产物粒径大多为微米级，且分布不均匀，形貌也不规则。与固相法相比，水热法可以直接得到LiFePO₄，不需要惰性气氛，也很容易控制材料的晶型和粒径，但水热法需要高温高压设备，工业化生产困难要大。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种掺杂磷酸铁锂正极材料及其制备方法，以通过该方法控制化学组成和粒径大小，以制备出均分散的球形，纳米LiFePO₄，有效提高材料的振实密度和倍率性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种掺杂磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)将铁源、磷源以及掺杂元素源进行混合，并加入pH值调节剂，沉淀得到物料A；

(2)将物料A经过过滤、洗涤、干燥，得到物料B；

(3)将物料B、锂源、溶剂进行球磨混合，采用喷雾设备进行干燥，得到物料C；

(4)将物料C在惰性气氛下进行升温，并按照一定流速通入能够在高温下可裂解为碳的有机气体，焙烧，得到离子掺杂的碳包覆LiFePO₄正极材料。

优选的，步骤1)中，所述铁源包括硝酸铁、硫酸铁、氯化铁、醋酸铁中的一种或多种；

优选的，所述磷源包括磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢钠、磷酸铵中的一种或多种；

掺杂元素包括Mn、Mg、Al、Nd、Co、Cu、Ca、Cr、Zr、Zn、Ti、Nb中的一种或多种；

pH值调节剂包括氨水、醋酸钠、碳酸钠、醋酸铵中的一种或多种；调节pH值为2-5。

优选的，步骤1)中，铁源、磷源以及掺杂元素按照摩尔比0.95～1.05：0.95～1.05：0.01～0.05；摩尔比例可以为但是不限于以下例子，0.96:0.96:0.01；0.96:0.98:0.01；0.96:1:0.01；0.96:1.02:0.01；0.96:1.04:0.01；1:0.98:0.02；1:1:0.04；1:1.02:0.02；1:1.04:0.04等。步骤1)中，加入pH值调节剂后，反应温度维持在80-95℃，反应时间为3-5h；

步骤2)中，物料A的干燥温度是100-120℃；

优选的，步骤3)中，所述锂源包括：碳酸锂、氢氧化锂、硝酸锂、草酸锂、醋酸锂中的一种或多种；所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、丙酮中的一种或多种；物料B中磷酸铁与锂源的摩尔比0.95～1.05：0.95～1.05；摩尔比例可以为但是不限于以下例子，0.96:0.98；0.98:1；1:0.98；1.02:1；1.04:1.02等；

步骤3)中的干燥温度为进风温度220-280℃，出风温度70-120℃。

优选的，步骤4)中，将物料C在惰性气氛下以2～20℃/min的加热速率进行升温，例如，4℃/min；6℃/min；8℃/min；10℃/min；12℃/min；14℃/min；16℃/min；18℃/min等；在650～750℃恒温焙烧7～12小时，例如在670℃恒温焙烧10小时；在690℃恒温焙烧8小时；在710℃恒温焙烧9小时；在730℃恒温焙烧8小时；在740℃恒温焙烧12小时等。