[发明专利]通过去除纳米级磷酸铁的结晶水制备高性能的磷酸铁锂正极材料的方法

说明书

本发明公开了一种通过去除纳米级磷酸铁的结晶水制备高性能的磷酸铁锂正极材料的方法。（1）将铁源和磷酸盐分别溶于蒸馏水，调节pH值，抽滤，洗涤，烘干，煅烧，得无水FePO₄。（2）将FePO₄/3DG粉末（或FePO₄）、锂源和碳源，煅烧后获得LiFePO₄/C。本发明具有操作简便，安全性好、成本低廉、对环境友好、电化学性能优良，适用于工业化生产,制备的正极材料在动力电源领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种通过去除纳米级磷酸铁的结晶水制备高性能的磷酸铁锂正极材料的方法。

背景技术

近年来随着新能源材料的发展，在各种可充电锂离子电池中，橄榄石磷酸铁锂(LiFePO₄)由于其理论比容量较高，循环性能好，热稳定性好，安全可靠，成本低，对环境友好等优点而展现出巨大的发展前景。磷酸铁（FePO₄）作为合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂的重要前驱体而受到人们的广泛关注。而FePO₄的形貌、粒径和结晶水等直接决定了最终制备磷酸铁锂电极材料的电化学性能，因此高品质的FePO₄将成为整个价值链的核心。

通过工艺条件优化，调控FePO₄形貌结构，获得形貌均匀、分散性好、球形形貌的FePO₄纳米颗粒，提高LiFePO₄的振实密度和能量密度。制备纳米级的FePO₄可有效地缩短锂离子和电子在材料中的迁移路径，进而改善材料的电化学活性和高倍率充放电性能，同时纳米材料更多的晶粒边界可为离子快速扩散提供更多的通道，而且纳米材料大的比表面积和丰富的孔隙能够保证电解液的充分浸泡和足够的锂离子，纳米粒子之间的间隙也可有效地缓解和释放锂离子在嵌入和脱出时的应力，提高材料的循环寿命。FePO₄纳米材料的结晶水含量和FePO₄的纯度对动力电池磷酸铁锂的电化学性能有非常大的影响。本专利采用高温失水的方法去除所制备FePO₄的结晶水，从而提高LiFePO₄的电化学性能。

发明内容

本发明目的是提供一种采用水热制备的形貌均匀、尺寸较小的磷酸铁前驱体，然后制备出电化学性能优良的球形磷酸铁锂正极材料。

磷酸铁锂正极材料的分子式为：LiFePO₄/C。

磷酸铁锂正极材料制备方法具体步骤为：

（1）称取0.001~0.1 mol铁源和0.001~0.1 mol磷酸盐，分别溶于30~50 mL去离子水中，将两种溶液混合均匀后用0.5~5mol/ L的氨水调节pH值至2~3，继续搅拌0.5~5小时后，将反应溶液放入50~100mL聚四氟乙烯为内衬的反应釜中140℃保温5~12小时，冷却至室温后将产物抽滤，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3~5次，50~200℃烘干10~100小时后，放入马弗炉中，以5~10℃/ min的加热速率升至200~800℃并煅烧2~20小时，得到黄色粉末。

（2）称取0.1~1 g步骤（1）所得黄色粉末、1~5 mmol锂源和0.1~1 mmol碳源，加入10mL无水乙醇充分研磨至粉末后通有充满氩气的管式炉中，以5~10℃/ min的加热速率升至350~550℃煅烧5~10小时后自然冷却至室温，再向混合物中加入0.1~1 mmol碳源,然后在通有氩气的管式炉中，以5~10℃/ min的加热速率升至450~750℃并煅烧10~15小时，获得磷酸铁锂正极材料。

所述锂源为乙酸锂、碳酸锂和氢氧化锂中的一种或多种。

所述铁源为氯化铁、硝酸铁和硫酸亚铁中的一种或多种。

所述磷酸盐为磷酸铵、磷酸二氢铵和磷酸氢铵中的一种或多种。