[发明专利]模板诱导法制备磷酸亚铁锂纳米粒子的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模版诱导法制备磷酸亚铁锂纳米粒子的方法，属于电池材料领域。

背景技术

随着能源和环境问题的日益突出，清洁能源倍受关注，这对二次电源提出了更高的要求。锂离子电池作为一种高性能的二次绿色电池，已经在各种便携式电子产品和通讯工具中得到广泛的应用。橄榄石型锂离子电池正极材料LiFePO₄具有原料资源丰富、价廉、无毒、环境友好、理论容量高、热稳定性和循环性能好等优点，是锂离子电池的首选正极材料。

但锂离子在该电极材料中的扩散速度慢，LiFePO₄的导电性能差，材料的利用率低，电极的倍率充放电性能差，制约了磷酸亚铁锂材料大倍率输出。在LiFePO₄的充放电过程中，由于晶体中PO₄^3- 限制了Li⁺ 的移动空间，使得Li⁺ 在材料中的嵌、脱过程只具有二维可移动性，因此LiFePO₄的电子、离子导电率均比较低，在大电流放电的条件下会有较大的容量损失。针对Li⁺ 在LiFePO₄中的嵌、脱机理，A. S. Andersson提出了两种可能的充放电模型—辐射模型（Radial Model）和马赛克模型（Mosaic Model）。大多数科研人员认为两种模型同时存在。从Li⁺ 的嵌脱机理出发，目前对LiFePO₄的研究工作主要从两方面展开：一方面，通过不同途径来控制晶粒生长，制备出粒径均一、细小的材料，强化材料的离子传导性能；另一方面，在优化工艺的基础上通过晶相掺杂、非晶相掺杂等手段同时提高材料的电子、离子导电率。

因此，LiFePO₄材料的纳米化很大程度上使其粒子尺寸降低，缩短锂离子的扩散路径，改善LiFePO₄电极的电化学性能。通过制备纳米尺寸的磷酸亚铁锂，降低其颗粒团聚是提高LIB整体电化学性能，改善磷酸亚铁锂材料大倍率性能的有效方法之一。

近年来国内外大量报道了关于不同方法合成、改良LiFePO₄材料。溶胶-凝胶法和乳化干燥法合成的粒子尺寸较小分布在1-100μm，但由于焙烧处理使颗粒团聚或烧结程度较大，增加了锂离子在颗粒内的扩散距离，材料的导电性和大倍率输出性能没有实质性的改善；水热法以FeSO₄、H₃PO₄、LiOH按摩尔比为1：1：3合成出粒度在50-100nm的LiFePO₄粒子，当加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)后其粒度尺寸能降到50nm，但是水热法需要耐高温高压设备，工业化困难较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术而提供一种模板诱导法制备磷酸亚铁锂纳米粒子的方法，尺寸可控性高，所制备磷酸亚铁锂纳米粒子粒径均一，尺寸小。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

模板诱导法制备磷酸亚铁锂纳米粒子的方法，它包括以下步骤：

1）硅片的预处理：将硅片先后在丙酮、超纯水中超声波清洗5~15min，然后放入Piranha溶液中于60~100℃浸泡30-60min，取出硅片用超纯水冲洗，再以氮气吹干得到羟基化的硅基基片；

2）3-氨基丙基-三甲氧基硅烷（APTMS）薄膜模板的制备：将步骤1）得到的羟基化的硅基基片放入APTMS的乙醇溶液中浸泡1-2小时，取出后依次用乙醇、超纯水冲洗，再用氮气吹干得到APTMS自组装薄膜；

3）APTMS自组装薄膜表面氨基原位磷酸化：将步骤2）得到的APTMS自组装薄膜浸入含三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的乙腈溶液中，室温反应20-90分钟，取出用超纯水冲洗，用氮气吹干得到磷酸化的APTMS自组装薄膜；

4）磷酸亚铁锂纳米粒子的制备：将步骤3）得到的磷酸化的APTMS自组装薄膜浸入含亚铁盐、磷酸盐、锂盐的超纯水溶液中反应5分钟-60分钟，然后取出用超纯水冲洗，氮气吹干制得磷酸亚铁锂纳米粒子。

按上述方案，所述硅片为(1~2)cm×(1~2)cm×0.5mm的块状。

按上述方案，所述Piranha溶液中浓硫酸和双氧水的体积比为4:1。

按上述方案，所述APTMS的乙醇溶液中APTMS体积浓度为0.1%-2%。