[发明专利]基于化学转换反应锂离子电池正极材料BiPO4的制备方法及用于制作的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料，属于锂离子电池正极材料与电化学领域。

背景技术

锂离子电池作为新型能源，因具有高能量密度、高电压、高可逆容量、高循环性能等优点而备受关注，是二十一世纪的主导电源，其应用领域不断扩大。但锂离子电池行业竞争非常激烈，寻找高性能、低成本的新型电极材料是进一步降低电池成本、增强竞争力的有力手段，而正极材料在电池的制造成本中占据较大比重，约为40％，因此，正极材料是锂离子电池研究的重点。

目前，几乎所有的商业锂离子电池正极材料都是基于嵌入反应机理，尽管这类反应有着出色的循环性能，但是仅仅产生有限的容量，随着现代电子设备对功率和能量密度需求的日益增长，这类正极材料将不能满足社会需求，因此，寻找更高能量密度的正极材料是下一步研究的方向。可逆化学转换反应因能利用金属阳离子所有的氧化态而产生更高的比容量，因此化学转换反应机理将是一种很好的候选机理。可逆化学转换反应已经在金属氧化物、硫化物、氢化物、氟化物等化合物中得到证明，化学转换反应过程：

充放电过程实质上是LiX的形成和分解，并伴随金属纳米粒子的还原与氧化，该类反应能充分利用物质的各种氧化态，交换材料中所有的电子，其放出的容量远远高于传统概论上的锂离子嵌入/脱嵌反应。然而目前没有任何关于金属磷酸盐的化学转换反应的报道。本发明中提出一种基于化学转换反应的新型正极材料BiPO₄，其包含三种晶型：六方型、低温单晶型、高温单晶型。目前，BiPO₄在各方面领域有着广泛的应用，例如催化剂、传感器、微波介电、光电催化等，但是没有报道在锂离子电池中应用。因存在聚阴离子PO₄^3-，通过Bi-O-P诱导效应，PO₄^3-中的P-O共价键能稳定Bi³⁺，比起相对应的金属氧化物(Bi₂O₃)，在化学转换反应过程中，这样的金属磷酸盐具有更高的理论输出电压。将三种晶型的BiPO₄用于锂离子电池正极材料的研究，基于反应：

该材料具有3.1V左右的理论输出电压，265.5mAh g^-1的理论放电比容量，830.5Wh kg^-1的理论质量能量密度，而且5253.1Wh L^-1的体积能量密度。而基于反应(3)的商品化正极材料LiCoO₂的理论能量密度仅仅为560Wh kg^-1、2845Wh L^-1。

因此，因具有高理论容量、理论输出电压、理论能量密度，金属磷酸盐族化合物将成为新一代很有发展前景的锂离子电池正极材料。

发明内容

为了满足现代社会高功率、高能量密度想需求，本发明提供一种基于化学转换反应锂离子电池正极材料BiPO₄的制备方法及用于制作的锂离子电池

本发明的技术方案是，一种基于化学转换反应的锂离子电池正极材料BiPO₄的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将铋(III)盐在质量百分比为5-45％的醋酸溶液中在0-80℃下搅拌使之溶解，得到铋盐醋酸溶液；

(2)在0.05-1.0mol L^-1铋盐醋酸溶液中，加入分子量为1000-10000、体积质量浓度为1-20g L^-1的聚乙二醇和体积尝试为5-200mL L^-1乙醇的混合物作为分散剂，加入体积质量浓度为0.1-10g L^-1OP或体积质量浓度为0.1-10gL^-1三乙醇胺作乳化剂，得到铋盐混合溶液；

(3)将与铋(III)同等摩尔量的可溶性磷酸盐或H₃PO₄溶于去离子水中，得到0.05～1.0mol L^-1磷酸盐或H₃PO₄溶液；

(4)在搅拌下，将铋盐混合溶液在0-45℃下加入磷酸盐或H₃PO₄溶液溶液中，即得到BiPO₄沉淀；