[发明专利]锂离子电池用LiFePO4/C活性物质的制造装置及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种作为锂离子电池正极材料使用的LiFePO₄/C活性物质的制造装置及制造方法，属于新能源材料制备技术领域。

背景技术

1997年Padhi等报道了具有橄榄石结构的LiMPO₄(M＝Fe，Mn，Co，Ni)具有良好脱嵌锂性能，其中LiFePO₄理论比容量为170mAh/g，并且具有循环性能优良、热稳定性好、原材料来源广泛、无环境污染等优点，是理想的锂离子电池正极材料。

LiFePO₄具有二维橄榄石结构，属正交晶系。其中，所有的氧都通过共价键与P⁵⁺结合成稳定的(PO₄)^3-多阴离子团，晶格中的氧不易丢失，使得材料具有很好的安全性。但另一方面在这种结构中，锂原子占据共边的八面体位置，铁原子占据共角的八面体位置，在锂原子所在的a-c平面中，包含有PO₄四面体，这样就限制了锂离子的移动空间，因此，LiFePO₄的电导率比具有层状结构的可嵌锂化合物(如LiMO₂，M＝Co，Ni)的要低得多，难以实际应用。后来研究发现，一方面通过碳包覆或者利用高价态的金属元素(如Zr，Ti，Nb等)进行体相掺杂可使LiFePO₄材料的电导率提高几个数量级，另一方面通过制造小粒子(小于几百纳米)的LiFePO₄粉末材料可使其电化学性能达到可以应用的水平，并由此引发了人们对LiFePO₄/C的合成及其工艺的广泛实验研究，并显现出在动力锂离子电池领域广阔的应用前景。

合成LiFePO₄/C的方法有高温固相法、水热法、微波法、凝胶-溶胶法、碳热还原法、共沉淀法等。其中高温固相法具有工艺简单、易实现工业化、制备条件容易控制等优点，是目前LiFePO₄/C合成工艺中较成熟和可大规模产业化的方法。高温固相法通常的工艺过程是将铁源(如草酸亚铁、乙酸亚铁或铁氧化物等)、磷酸盐(如磷酸二氢铵)、锂源(如碳酸锂、氢氧化锂)和碳源(如有机聚合物、糖类、乙炔黑等)先进行充分粉碎和混合后，送入气氛热处理炉中低温预焙烧，预焙烧冷却出炉后又经破碎，然后在气氛热处理炉中高温焙烧，冷却后破碎得磷酸亚铁锂产品。其中，使用Fe²⁺为原料时，焙烧气氛为惰性气体；使用Fe³⁺为原料时，焙烧气氛为还原性气体。这种方法存在的主要缺点是工序长，中间物料转换环节多，同批次产品颗粒不均匀，粒度分布范围宽，不同批次产品一致性较差，且高温合成工艺控制不当易造成产品一次粒子长大，易残存Fe³⁺杂相，成本较高等。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种可以集成制造LiFePO₄/C材料的装置和制造方法。使用本装置和方法制造的LiFePO₄/C材料一致性好，材料的加工性能优良。锂离子电池使用本装置和方法制造的LiFePO₄/C作正极材料时，其电化学性能可大幅度提高。

根据以上目的，本发明设计了一种用于集成制造LiFePO₄/C材料的装置，该装置是采用一台可倾斜式密闭廻转筒(或称廻转高温反应器)。其特征是：廻转筒内壁断面为圆形或多边形，筒体外布有加热设备，廻转筒的一端可开启用于装卸物料，廻转筒的转速可调，廻转筒两端密封并有可旋转接头用于排放合成过程中产生的废气和连接外部气源，筒内装有锆质磨介，如图1所示。

本发明所述的方法是使用上述装置合成锂离子电池正极材料用LiFePO₄/C活性物质。该方法将所有合成用原料一次性加入到上述装置中，在该装置中，完成包括破碎、混料、机械活化、预焙烧、碳包覆、高温焙烧等全部工序，可一次性产出LiFePO₄/C产品。该方法通过调节廻转筒转速使磨介发挥不尽相同的作用：在混合原料的同时，廻转筒高速旋转(50～80rpm)使磨介对物料产生研磨与活化的作用；预焙烧过程中，低速旋转(5～10rpm)保证反应均匀进行，并有利于反应产生的大量废气尽快排出；在高温焙烧过程中，中速旋转(20～40rpm)有利于粉末粒子表面碳包覆均匀，避免粒子长大。本发明所述的方法具体过程包括如下：