[发明专利]一种钒酸铁锂正极单晶材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种钒酸铁锂正极单晶材料的制备方法及其应用，将锂源、二价态铁源、和高价态钒源按摩尔比Li:Fe:V=1:1:1进行配料，于玛瑙坩埚中充分研磨，在充有惰性气体的密闭马弗炉中煅烧12小时；取出重新研磨，在马弗炉中和保护气氛下进行高温固相反应，得到纯相的钒酸铁锂化合物；得到的纯相钒酸铁锂破碎，加入助熔剂，在玛瑙坩埚中充分研磨混合均匀，制作晶体生长料棒；料棒引入光学浮区炉，采用助熔剂浮区技术生长该化合物的单晶体，晶体尺寸达到厘米级。本发明中的钒酸铁锂正极单晶材料为纯相的橄榄石结构，无杂质相，电化学性能优异。

技术领域

本发明涉及一种钒酸铁锂正极单晶材料的制备方法及其应用，属于电池材料技术领域。

背景技术

相对而言，我国的能源储备量较低，目前仍有超过50%的原油需要进口，因此，大力发展锂离子电池技术已经变得十分迫切，其中，锂离子电池正极材料是核心，它决定了锂离子电池的能量密度和循环寿命。

目前已经商业化的锂离子电池正极材料主要包括磷酸铁锂和三元正极材料，然而，它们的安全性、寿命和能量密度仍然达不到未来电动汽车和储能系统应用的要求，均需要继续改进提高，因此，寻找一种比容量高、成本 低廉、环境友好的锂离子电池正极材料，仍然是当前锂离子电池领域的一个主要研究方向。

传统锂离子电池正极材料一般是粒径为1微米左右的球形二次颗粒，在充放电过程中，球形二次颗粒内部的晶界容易开裂甚至整个颗粒发生破碎，近两年来，人们开始采用单晶颗粒取代传统的球形二次颗粒，以降低颗粒内部的晶界和缺陷，提高材料的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钒酸铁锂正极单晶材料的制备方法及其应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种钒酸铁锂正极单晶材料的制备方法，所述钒酸铁锂的化学式为：LiFeVO4，其晶型为单一纯相的橄榄石结构，所述的单晶尺寸为微米极至厘米级，制备方法包括以下步骤：

（1）将锂源、二价态铁源、和高价态钒源按摩尔比Li:Fe:V = 1:1:1进行配料，于玛瑙坩埚中充分研磨，在充有惰性气体的密闭马弗炉中煅烧12小时；取出重新研磨，在马弗炉中和保护气氛下进行高温固相反应，得到纯相的钒酸铁锂（LiFeVO4）化合物；

（2）将步骤（1）中得到的纯相钒酸铁锂破碎，加入助熔剂，在玛瑙坩埚中充分研磨混合均匀，制作晶体生长料棒；

（3）将步骤（2）所述的料棒引入光学浮区炉，采用助熔剂浮区技术生长该化合物的单晶体，晶体尺寸达到厘米级。

优选的，所述锂源为Li₂CO₃、LiNO₃、Li₂C₂O₄.H₂O或LiOH，所述二价态铁源为Fe(OH)2或FeCO3，所述高价态钒源为V2O5；惰性气体为N2或Ar气，煅烧温度为320^oC，高温固相反应温度为850-900^oC，反应时间为24-48小时；

优选的，所述助熔剂为Li2O, LiF或Li2O-V2O5；制备的料棒直径为0.5-0.8 cm，料棒长度为5-15cm；

优选的，晶体生长温度为1050-1080 ^oC，料棒旋转速率为30-50rpm，晶体生长速率为0.15-5mm/h。

上述的制备方法制备得到的橄榄石型钒酸铁锂单晶正极材料，其特征在于，将所述橄榄石型钒酸铁锂材料在制备锂离子电池正极中的应用。

本发明中相关化学反应方程式为：

(1) 2LiOH + 2FeCO3 + V2O5 → 2LiFeVO4 + 2CO2↑ + H2O↑ ；