一种以氧化铁为原料制备磷酸亚铁锂复合材料的方法

摘要

本发明涉及一种磷酸亚铁锂复合材料的制备方法，该方法以氧化铁为原料，通过加入功能添加剂，经由高温热处理获得表面包覆有高电导率物质的磷酸亚铁锂复合正极材料，提高了其有效电导率，进而大幅度提高了材料的电化学性能。本发明所述的方法与其他制备磷酸亚铁锂的方法相比，其优点主要表现为：选用廉价的氧化铁为原料，大幅度降低原材料的成本；在反应过程中无有毒、有害副产物释放出，是一种十分环保的生产方法；工艺路线简单可靠、流程较短、工艺参数较容易控制及材料批次一致性好，易实现工业化规模生产。

权利要求

1.一种以氧化铁为原料制备磷酸亚铁锂复合材料的方法，其特征在于选取氧化铁为原料，并添加功能添加剂，经高温热处理后即可得到表面包覆有高电导物质的磷酸亚铁锂复合正极材料，具体操作按下列步骤进行：a、按磷酸二氢锂：氧化铁：功能添加剂草酸、EDTA、柠檬酸、抗坏血酸、聚丙烯酸、甲酸、顺丁酸或丙二酸的摩尔比为1：0.4-0.6：0.1-3分别称取，首先在容器中加入分散介质无水乙醇、去离子水或丙酮，然后加入磷酸二氢锂、功能添加剂搅拌溶解后，再加入氧化铁粉末，在温度30℃-90℃下搅拌蒸发3-8h，搅拌速度为100-800r／min，得到胶状混合物；

或按磷酸二氢锂：氧化铁：功能添加剂草酸、EDTA、柠檬酸、抗坏血酸、聚丙烯酸、甲酸、顺丁酸或丙二酸的摩尔比为1：0.4-0.6：0.1-3加入到研钵中研磨混合均匀，加入分散介质无水乙醇、去离子水或丙酮，继续研磨至得到胶状混合物；

或按磷酸二氢锂：氧化铁：功能添加剂草酸、EDTA、柠檬酸、抗坏血酸、聚丙烯酸、甲酸、顺丁酸或丙二酸的摩尔比为1：0.4-0.6：0.1-3与分散介质无水乙醇、去离子水或丙酮混合球磨，其中分散介质、原料和研磨球的质量比为1：0.5-2：3-6，转速100-800r／min，球磨时间5-20h，得到混合物；

b、将步骤a得到的混合粉料在60-120℃下烘箱烘干或真空烘干，得到混合粉料；

c、混合研磨，压力成型，成型压强为10-40MPa，并在气体保护或真空条件下热处理，气流速度为0.1-1.0L／min，以1-20℃／min升温速率升至300-400℃，恒温1-10h，其中保护气体为氮气、氩气、氩气与氢气的混合气体或氮气与氢气的混合气体，其中混合气体中氢-3 -5气体积含量为1-4％，真空条件的真空度为133.322×10 -133.322×10 Pa；

d、待其自然冷却后再次研细压块或直接将步骤b所得粉料研细压块，成型压强为

10-40MPa，在保护气体下热处理，气流速度为0.1-1.0L／min，以1-10℃／min加热速率升温至500-900℃，焙烧2-24h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤a中添加碳源，步骤a中分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1：1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于碳源的添加方式为直接与步骤a中原料混合添加。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所添加的碳源为蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇或乙炔黑。

说明书

一种以氧化铁为原料制备磷酸亚铁锂复合材料的方法

技术领域：

[0001] 本发明属于电化学电源材料制备技术领域，特别是涉及一种以廉价的氧化铁为原料制备磷酸亚铁锂复合材料的方法。背景技术：

[0002] 随着信息技术的发展，电子仪器设备的小型化，以及新型电子仪器设备的不断问世，使得对小型分立的可移动电源需求持续快速增长，对电池产业提出了更高的要求。具有体积小、能量密度高、使用寿命长等一系列优势的锂离子二次电池自其问世以来就一直受到世界各国的关注。与传统的Ni/Cd、Ni/MH等可充电电池相比，其具有相当于Ni/Cd、Ni/MH电池3倍的工作电压、Ni/Cd电池3倍，Ni/MH电池1.5倍的能量密度、较小的自放电速率、不含铅镉等有毒物质以及无记忆效应等优点。因此其广泛的应用于便携式移动工具、数码产品、人造卫星、航空航天等领域中，且在电动自行车和汽车等领域中亦具有非常广阔的前景。

[0003] 在锂离子电池中，正极材料占有非常重要的地位，也是当前锂离子电池发展的重点之一。目前锂离子电池使用的正极材料主要是锂过渡金属氧化物，包括六方层状结构的LiCoO2、LiNiO2和LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≤x，y≤1，x+y≤1)，尖晶石结构的LiMn2O4以及聚阴离子类正极材料如橄榄石结构的LiFePO4(磷酸亚铁锂)。其中LiCoO2已经实现商品化，但其价格过高，毒性较大，并且钴的资源有限；LiNiO2的合成比较困难；LiMn2O4的容量较低、循环寿命尤其是高温下的循环寿命较差。

[0004] 橄榄石状的LiFePO4作为锂离子电池的极材料与其他材料相比有以下优点：(1)+具有170mAh/g的理论容量；(2)具有3.4V的放电平台(对Li/Li 的电位)，使有机电解液的应用范围扩大；(3)电极反应的可逆性好；(4)热稳定性和化学稳定性高，使用安全；(5)原料价格低；(6)无毒。

[0005] 上述优点使磷酸亚铁锂备受关注，许多学者对其进行了深入的研究。然而，在LiFePO4正极材料的合成和实用化过程中存在一些问题。一方面该材料的电子导电率低(约-9 -16 -14 210 S/cm)和锂离子扩散系数小(约在1.8×10 -2.2×10 cm/S)；另一方面难题是如何大规模的产业化合成。目前磷酸亚铁锂材料的制备方法主要有固相法、液相法、微波法和固/液相法等。近年来，虽然提出了多种制备方法，但是，已报道的制备方法不是因为所用原料为二价铁而使得制备成本很高，就是因为合成路径太复杂而不适合大规模工业化。

[0006] 目前被广大科研工作者采用的是高温固相法(A.Yamada et al.US Pat.5910382，CN1401559A)是将亚铁盐，与磷酸盐或氢氧化锂混合，在惰性气氛保护下经300-350℃和500-800℃分阶段焙烧合成磷酸亚铁锂。高温法的优点是工艺简单，易实现工业化，但反应物通常混合不均匀，产物颗粒易长大，并且在反应过程中释放氨气，难以获得纯相磷酸亚铁锂。

[0007] 液相法包括溶胶-凝胶法，共沉淀法，水热合成法等。

[0008] 溶胶-凝胶法(中国专利CN1410349A，[J]Electrochemical and Solid-State + 2+ 3+ 3-Letters，5(3)A47-A50)通过能共存的Li、Fe 或Fe 、PO4 的水溶液选择合适的有机螯合剂，使之加热形成溶胶和凝胶，然后通过烧结得到磷酸亚铁锂。溶胶凝胶法能使铁、磷酸根和锂实现分子级混合，也容易实现掺杂，所得材料性能也比较理想，但工艺较为复杂，不易扩大生产。

[0009] 共沉淀法(WO02/083555A2，CN1431147A)在一定条件下，将氢氧化锂加入到含有亚铁离子和磷酸的溶液中，从溶液中共沉淀出磷酸亚铁和磷酸锂前躯体，将前躯体在650-800℃焙烧制得磷酸亚铁锂。中国专利CN1431147A采用密闭容器制备前躯体，免去了保护气氛，但工艺还是较为复杂，很难满足工业化大规模制备的要求。
发明内容：

[0010] 本发明目的在于，提供一种以氧化铁为原料制备磷酸亚铁锂复合材料的方法，该方法选取氧化铁为原料，并添加的功能添加剂，经高温热处理后即可得到表面包覆有高电导物质的磷酸亚铁锂复合正极材料，本发明所述的方法与其他制备磷酸亚铁锂的方法相比，其优点表现为：大幅度降低原材料的成本，选用的原料在反应过程中无有毒、有害副产物释放出，是一种十分环保的生产方法，工艺路线简单可靠、流程较短、工艺参数较容易控制、材料批次一致性好，易实现工业化规模生产。克服了目前已有方法的不足。

[0011] 本发明所述的以氧化铁为原料制备磷酸亚铁锂复合材料的方法，选取氧化铁为原料，并添加的功能添加剂，经高温热处理后即可得到表面包覆有高电导物质的磷酸亚铁锂复合正极材料，具体操作按下列步骤进行：

[0012] a、按磷酸二氢锂∶氧化铁∶功能添加剂草酸、EDTA、柠檬酸、抗坏血酸、聚丙烯酸、甲酸、顺丁酸或丙二酸的摩尔比为1∶0.4-0.6∶0.1-3分别称取，首先在容器中加入分散介质无水乙醇、去离子水或丙酮，然后加入磷酸二氢锂、功能添加剂搅拌溶解后，再加入氧化铁粉末，在温度30℃-90℃下搅拌蒸发3-8h，搅拌速度为100-800r/min，得到胶状混合物，；

[0013] 或按磷酸二氢锂∶氧化铁∶功能添加剂草酸、EDTA、柠檬酸、抗坏血酸、聚丙烯酸、甲酸、顺丁酸或丙二酸的摩尔比为1∶0.4-0.6∶0.1-3加入到研钵中研磨混合均匀，加入分散介质无水乙醇、去离子水或丙酮，继续研磨至得到胶状混合物；

[0014] 或按磷酸二氢锂∶氧化铁∶功能添加剂草酸、EDTA、柠檬酸、抗坏血酸、聚丙烯酸、甲酸、顺丁酸或丙二酸的摩尔比为1∶0.4-0.6∶0.1-3与分散介质无水乙醇、去离子水或丙酮混合球磨，其中，分散介质、原料、研磨球的质量比为1∶0.5-2∶3-6，转速100-800r/min，球磨时间5-20h，得到混合粉料；

[0015] b、将步骤a得到的混合粉料在60-120℃下烘箱烘干或真空烘干，得到混合粉料；

[0016] c、混合研磨，压力成型，成型压强为10-40MPa，并在气体保护或真空条件下热处理，气流速度为0.1-1.0L/min，以1-20℃/min升温速率升至300-400℃，恒温1-10h；

[0017] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为10-40MPa，在保护气体下热处理，气流速度为0.1-1.0L/min，以1-10℃/min加热速率升温至500-900℃，焙烧2-24h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0018] 步骤a分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1。

[0019] 碳源的添加方式为直接与步骤a中原料混合添加或在步骤b烘干之后添加。

[0020] 碳源为蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇或乙炔黑。

[0021] 步骤c中保护气体为氮气、氩气、氩气与氢气的混合气体或氮气与氢气的混合气体，其中混合气体中氢气体积含量为1-4％。

[0022] 步骤c中所述真空条件的真空度为133.322×10-3-133.322×10-5Pa。

[0023] 本发明所述的以氧化铁为原料制备磷酸亚铁锂复合材料的方法，具有以下显著特点：

[0024] 采用氧化铁为原料：氧化铁具有来源广、价格低等优点，从而可以大幅度降低材料的制备成本。

[0025] 采用磷酸二氢锂提供反应过程中所需的锂及磷：在高温烧结阶段避免了传统高温固相法或普通碳热还原反应固相法中使用磷酸二氢铵或磷酸一氢铵为原料而产生有环境污染的氨气，符合绿色化学的要求。

[0026] 采用将混合物(前躯体)中添加功能性添加剂的方法。该添加剂在高温下可以提供强还原性环境，从而可以获得表面包覆有高电导率物质的磷酸亚铁锂复合材料，提高了其有效电导率，进而大幅度提高材料的性能。

[0027] 制备过程中将原料在液相中混合，并最终形成胶状混合物，减少了混合物干燥过程中的成分偏聚，提高了原料之间的混合均匀性。

[0028] 原料成分和产物配方容易控制，合成的磷酸亚铁锂复合锂离子电池正极材料具有优良的电化学及物理性能。

[0029] 本发明最大的优势在于通过在制备过程中添加功能性添加剂，经高温热处理后可获得表面包覆有高电导物质的磷酸亚铁锂复合正极材料，并且工艺路线简单、适合规模量产。合成的材料组装成实验电池，其0.1C倍率下放电比容量可以达到169.3mAh/g，1C倍率下放电比容量可以达到141.6mAh/g，在5C高倍率下亦可获得124.5mAh/g的放电比容量，表明通过添加合适的功能性添加剂，所制备的材料表现出优良的电化学特性。

附图说明

[0030] 图1为本发明所制备的磷酸亚铁锂的XRD图谱

[0031] 图2为本发明所制备的磷酸亚铁锂的扫描电镜图

[0032] 图3为本发明所制备的磷酸亚铁锂作为锂离子电池正极材料时，电池在不同倍率下的充放电曲线图

[0033] 图4为本发明所制备的磷酸亚铁锂作为锂离子电池正极材料时，电池的倍率性能图，其中 为碳包覆磷酸亚铁锂

具体实施方式

[0034] 实施例1

[0035] a、称取摩尔比为1∶0.5∶1.5的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂草酸加入到研钵中研磨混合均匀，加入分散介质无水乙醇，继续研磨至得到胶状混合物，分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1；

[0036] b、将步骤a得到的胶状混合物在烘箱温度60℃烘干，得到混合粉料，再加入5wt％的碳源蔗糖；

[0037] c、混合研磨，压力成型，成型压强为10MPa，并在气体氮气保护下热处理，气流速度为0.1L/min，以1℃/min升温速率升至300℃，恒温1h；

[0038] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为10MPa，在保护气体氮气下热处理，气流速度为0.2L/min，以1℃/min加热速率升温至650℃，焙烧12h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0039] 实施例2

[0040] a.称取摩尔比为1∶0.4∶0.1的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂EDTA，首先在容器中加入分散介质去离子水中，然后加入磷酸二氢锂、功能添加剂甲酸搅拌溶解后，再加入氧化铁粉末，在温度70℃下搅拌蒸发5h，搅拌速度为200r/min，得到胶状混合物，其中分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1；

[0041] b、然后将胶状混合物在烘箱温度80℃烘干，得到混合粉料，再加入12wt％的葡萄糖；

[0042] c、混合研细，并压力成型，成型压强为15MPa，并在气体氩气保护下热处理，气流速度为0.1L/min，以5℃/min升温速率升至350℃，恒温3h；

[0043] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为15MPa，在保护气体氩气下热处理，气流速度为0.4L/min，以5℃/min加热速率升温至750℃，焙烧5h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0044] 实施例3

[0045] a、称取摩尔比1∶0.5∶2的磷酸二氢锂、氧化铁、柠檬酸与分散介质去离子水混合球磨，其中分散介质、原料和研磨球质量比为1∶1∶4，转速350r/min，球磨时间8h，得到混合粉料；

[0046] b、将步骤a得到的混合粉料在烘箱温度80℃烘干，得到混合粉料，再加入14wt％的碳源聚乙二醇；

[0047] c、混合研磨，压力成型，成型压强为20MPa，并在气体氮气保护下热处理，气流速度为0.5L/min，以8℃/min升温速率升至320℃，恒温4h；

[0048] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为20MPa，在保护气体氮气下热处理，气流速度为0.5L/min，以5℃/min加热速率升温至700℃，焙烧10h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0049] 实施例4(碳源直接加入原料中)

[0050] a、称取摩尔比为1∶0.6∶1.5的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂抗坏血酸，将磷酸二氢锂、功能添加剂抗坏血酸以及10wt％的碳源蔗糖加入分散介质去离子水中，搅拌溶解后，再加入氧化铁粉末；在温度70℃下搅拌蒸发7h，搅拌速度为100r/min，得到胶状混合物，其中分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1；

[0051] b、然后将该胶状混合物真空烘干，得到混合粉料；

[0052] c、混合研细，并压力成型，成型压强为25MPa，并在氩气与氢气混合气体保护下热处理(混合气体中氢气体积含量为2％)，气流速度为0.6L/min，以8℃/min升温速率升至360℃，恒温6h；

[0053] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为25MPa，在氩气与氢气混合气体保护下热处理(混合气体中氢气体积含量为2％)，气流速度为0.5L/min，以8℃/min加热速率升温至700℃，焙烧15h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0054] 实施例5(碳源直接加入原料中)

[0055] a、称取摩尔比为1∶0.55∶3的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂聚丙烯酸及20wt％的乙炔黑加入到研钵中研磨混合均匀，再加入分散介质无水乙醇与去离子水的混合溶液，继续研磨至得到胶状混合物，其中分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1；

[0056] b、将该胶状混合物置于烘箱中温度120℃干燥，时间12h，得到混合粉料；

[0057] c、混合研细，并压力成型，成型压强为40MPa，并在氮气与氢气混合气体保护下热处理(混合气体中氢气体积含量为60％)，气流速度为10L/min，以20℃/min升温速率升至400℃，恒温10h；

[0058] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为40MPa，在氮气与氢气混合气体保护下热处理(混合气体中氢气体积含量为60％)，气流速度为0.6L/min，以10℃/min加热速率升温至900℃，焙烧2h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0059] 实施例6

[0060] a、称取摩尔比为1∶0.45∶2的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂甲酸加入到研钵中研磨混合均匀，加入分散介质去离子水，继续研磨至得到胶状混合物，其中分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1；

[0061] b、将该胶状混合物置于烘箱中在温度85℃干燥，时间10h，得到混合粉料，再加入12wt％的蔗糖；

[0062] c、混合研细，并压力成型，成型压强为35MPa，并在氮气与氢气混合气体保护下热处理(混合气体中氢气体积含量为4％)，气流速度为0.8L/min，以15℃/min升温速率升至380℃，恒温8h；

[0063] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为35MPa，在氮气与氢气混合气体保护下热处理(混合气体中氢气体积含量为4％)，气流速度为0.5L/min，以8℃/min加热速率升温至800℃，焙烧10h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0064] 实施例7

[0065] a、称取摩尔比为1∶0.55∶1.5的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂丙二酸加入到研钵中研磨混合均匀，加入分散介质无水乙醇与去离子水的混合溶液，继续研磨至得到胶状混合物，其中分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1；

[0066] b、将该胶状混合物置于烘箱中，温度110℃干燥，时间12h，得到混合粉料，再加入18wt％的葡萄糖；

[0067] c、混合研细，并压力成型，成型压强为25MPa，并在真空条件下热处理(真空度为-3 -5133.322×10 -133.322×10 Pa)，以18℃/min升温速率升至360℃，恒温7h；

[0068] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为25MPa，在真空条件下热处理(真空-3 -5度为133.322×10 -133.322×10 Pa)，以6℃/min加热速率升温至750℃，焙烧12h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0069] 实施例8

[0070] a、称取摩尔比为1∶0.5-∶1.2的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂顺丁酸，加入分散介质去离子水混合球磨，其中分散介质、原料和研磨球质量比为1∶1∶4，转速350r/min，球磨时间8h，得到混合粉体；

[0071] b、将球磨混合粉体置于烘箱中，在温度85℃烘干，再中加入16wt％的蔗糖；

[0072] c、混合研细，并压力成型，成型压强为15MPa，并在真空条件下热处理(真空度为-3 -5133.322×10 -133.322×10 Pa)，以8℃/min升温速率升至340℃，恒温3h；

[0073] d、待其自然冷却后再次研细压块，成型压强为15MPa，在真空条件下热处理(真空-3 -5度为133.322×10 -133.322×10 Pa)，以7℃/min加热速率升温至650℃，焙烧10h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。

[0074] 实施例9(碳源直接加入原料中)

[0075] a、称取摩尔比为1∶0.5∶1.5的磷酸二氢锂、氧化铁、功能添加剂草酸，将磷酸二氢锂、功能添加剂草酸以及20wt％的碳源蔗糖加入分散介质去离子水中，搅拌溶解后，再加入氧化铁粉末；在温度70℃下搅拌蒸发7h，搅拌速度为100r/min，得到胶状混合物，其中分散介质质量与原料磷酸二氢锂、氧化铁及碳源的总质量之比为1∶1；

[0076] b、然后将该胶状混合物真空烘干，得到混合粉料；

[0077] c、混合研细，并压力成型，成型压强为25MPa，在氮气与氢气混合气体保护下热处理(混合气体中氢气体积含量为2％)，气流速度为0.5L/min，以8℃/min加热速率升温至700℃，焙烧15h，即可得到橄榄石型磷酸亚铁锂复合材料。