[发明专利]纳米磷酸铁锂、其制备方法及应用

说明书

【技术领域】

本发明涉及锂离子电池正极材料领域，尤其涉及纳米磷酸铁锂、其制备方法及应用。

【背景技术】

自Goodenough小组首次报道磷酸铁锂可以作为锂离子电池正极材料以来，磷酸铁锂以其低成本、环境友好、较高的比容量、循环寿命长、高温性能和安全性能好等优点成为一种理想的锂离子二次动力电池正极材料。但是磷酸铁锂低的电子电导率和锂离子扩散速率极大限制了其电化学性能的发挥，导致其首次充放电效率及倍率性能较差，严重制约其在动力锂离子电池中的大规模应用。

为了提高磷酸铁锂的电子电导率、锂离子扩散系数，提高其高倍率性能，常用的方法有两种：一种是通过颗粒表面的碳包覆、金属离子掺杂提高电子电导率；另一种是通过颗粒尺寸的纳米化缩短锂离子扩散距离，提高锂离子的扩散速率。

目前，商用的磷酸铁锂多为微米级，合成方法主要是高温固相合成，并通过掺杂、包覆等工艺提高材料的电导率和倍率性能，但效果不甚理想。因此，也亟需合成微纳米级甚至纳米尺寸的磷酸铁锂，以缩短锂离子的扩散距离，提高锂离子电导率和材料利用率，有效改善其倍率性能。

微纳米级磷酸铁锂的合成多采用湿化学法，包括溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法、碳热还原法以及微波合成法等。水热法的研究较多，水热反应操作简单、物相均匀、颗粒尺寸均一、结晶性好，制备的纳米尺寸的磷酸铁锂的低倍率性能得到了一定的提升，但高倍率性能有待进一步的改善和提高。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，提供一种能够提高锂离子电池高倍率性能的纳米磷酸铁锂正极材料，其制备方法以及作为锂离子电池正极材料的应用。

本发明一方面提供一种制备纳米磷酸铁锂的方法，包括以下步骤：

S101将海藻酸溶于水性溶剂中，形成浓度为10-40mg/mL的海藻酸溶液；

S102依次添加锂源、磷源、铁源到海藻酸溶液中，形成混合液，其中锂源为锂盐，磷源为磷酸或磷酸盐，铁源为铁盐，并且其中锂源与铁源的摩尔比可以为2-3：1，磷源与铁源的摩尔比可以为1-2：1，海藻酸与铁源的摩尔比可以为0.05-1：1；

S103将混合液置于高压反应釜中，于120-220℃水热反应6-15小时，之后分离得到磷酸铁锂粉体；

S104在惰性气氛中，将磷酸铁锂粉体于500-900℃焙烧0.5-5小时，得到纳米磷酸铁锂。

步骤S103还可以包括使用水性溶剂洗涤磷酸铁锂粉体并干燥的纯化操作。

所述水性溶剂可以为水、多元醇、或水与多元醇的混合溶剂。

所述多元醇可以为乙二醇、一缩二乙二醇、丙三醇，或它们的任意组合。

所述锂盐可以选自氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硝酸锂，或它们的任意组合。

所述磷酸盐可以选自磷酸二氢钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二铵，或它们的任意组合。

所述铁盐可以选自硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁，或它们的任意组合。

本发明另一方面提供根据本发明的方法制备得到的纳米磷酸铁锂，其特征在于，所述纳米磷酸铁锂在用作锂离子电池正极活性材料时，该锂离子电池具有90-110mAh/g的10C充放电容量，以及1C充放电100个循环后97%以上的容量保持率。

所述纳米磷酸铁锂的粒径可以为50-300nm。

本发明再一方面提供一种锂离子电池，该锂离子电池的正极活性材料为根据本发明的方法制备得到的纳米磷酸铁锂。

本发明将海藻酸的使用与水热反应相结合，用于制备纳米磷酸铁锂，制备方法简单，环境友好。海藻酸在该水热反应过程中，一方面起到限制颗粒长大的作用，另一方面可作为碳源，在水热反应过程中可碳化包覆在生成的磷酸铁锂表面，改善磷酸铁锂的导电性。溶剂为水或者水和多元醇的混合溶剂，也能够起到限制颗粒生长的作用。

根据本发明的方法制备得到的结晶性磷酸铁锂具有50-300nm的纳米尺寸，且粒径可调。使用该纳米磷酸铁锂作为正极活性材料，制备得到的锂离子电池具有优异的高倍率性能和循环稳定性，在锂离子动力电池中有广泛的应用前景。

【附图说明】

图1为根据本发明的实施方案制备纳米磷酸铁锂的流程图。

图2为根据实施例1制备的纳米磷酸铁锂的X射线衍射分析（XRD）图。

图3为根据实施例4制备的纳米磷酸铁锂的扫描电镜图。

图4a和b分别为根据实施例5制备的纳米磷酸铁锂的低倍扫描电镜图和高倍扫描电镜图。

图5为采用实施例6制备的纳米磷酸铁锂的锂离子电池的倍率性能图。