[发明专利]一种磷酸铁锂正极材料的制备方法

说明书

本发明公开一种磷酸铁锂正极材料的制备方法，其步骤包括：将铁磷复合物、锂源、碳源，按照摩尔比Li：Fe＝1～1.1，Fe：P＝0.9～1.0混合，得到混合物；将该混合物进行预烧结，得到磷酸铁锂/碳复合物前驱体；将磷酸铁锂/碳复合前驱体研磨成亚微米颗粒，再在保护性气氛下高温烧结，得到粉体状磷酸铁锂正极材料。本方法可以低成本制备高性能的磷酸铁锂正极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，涉及一种磷酸铁锂正极材料的制备方法。

背景技术

随着自然环境的急剧恶化，人们亟待采用清洁能源替代石化能源，包括太阳能、风能、水能、地热能、核能等在内的清洁能源，几乎都需要转化为电能以供人们的生产生活使用。电能在白天和黑夜使用时间上分布的不均匀性，以及移动设备在使用空间上分布的不均匀性，都促使采用性价比高的二次锂离子电池成为存贮电能或移动供电的解决策略。

正极材料是锂二次电池的核心部件之一，商业化的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元体系、磷酸铁锂等。含钴、镍元素材料具有高电压、高容量、较高的体积比能量密度，但材料的热稳定性较差，热失控温度低，释氧量大，容易导致安全问题，一般仅限用于小型电池，如手机、笔记本、充电宝中。锰酸锂材料成本低、安全性好，但材料的容量较低，高温循环衰减严重。而磷酸铁锂正极材料具有170mAh/g比容量、3.4V平稳的电压平台、结构稳定、长循环性能优异、成本低、安全无毒等优点，因而备受关注，应用广泛。

近年来，磷酸铁锂材料得到了长足的发展，特别是在动力电池领域。但是，由于磷酸铁锂材料本征密度低(3.6g/cc)，比容量极限170mAh/g，与三元正极材料特别是高镍三元材料在能量密度上差距较大。在日益追求能量密度、提高电动车续驶里程的今天，磷酸铁锂材料在动力市场的表现明显后劲不足。据统计2016年至2017年我国正极材料产量从16万吨增加至21万吨，但磷酸铁锂的产量仅从5.7万吨增加至5.8万吨，基本维持持平。市场上乘用车制造企业也纷纷改用能量密度更高的三元材料以提高车辆续驶里程获得财政补贴，就连一直坚持铁电池开发的BYD，也宣布以后的乘用车都将改用三元材料。因此磷酸铁锂材料应用越来越受局限，仅仅客车这块市场份额暂时坚挺，如果不开发面向新应用的材料开拓新应用领域，磷酸铁锂材料的发展将停滞不前。

众所周知，储能是锂离子电池的另一个重要应用方向。根据CNESA全球储能项目库的不完全统计，截至2017年底，全球已投运电化学储能项目累计装机规模为2926.6MW，较上一年增长45％，在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机占比超过75％。而且根据市场研究机构Markets and Markets的报告，全球电池储能系统市场预计将从2018年的19.8亿美元增长到2023年的85.4亿美元，期间复合增长率为33.9％。亚太地区正逐渐成为电池储能系统行业中心。中国、印度、日本对电池储能系统的需求正在逐渐增加。中国国家电网公司已经部署电池储能系统为其电网提供辅助服务。虽然锂电池储能市场目前还处于示范论证阶段，但从长远来看，储能领域将是锂电池最大的应用市场。

在储能用锂离子电池中，磷酸铁锂材料为正极的锂离子电池具有极大的优势。它来源广泛、价格便宜、安全无毒、环境友好、循环寿命长，能量密度处于中等水平，综合性能突出。未来如果能够将磷酸铁锂电池的成本进一步降低至铅酸电池的水平，磷酸铁锂在储能市场的份额必将呈现井喷式增长。

正极是磷酸铁锂电池的关键材料之一，占成本比例约为30％～40％。进一步降低磷酸铁锂的合成成本至关重要，因而持续优化工艺过程，降低加工费用、原材料费用意义重大。目前主流磷酸铁锂正极材料生产都采用脱水磷酸铁为原料。它是通过化学法合成二水磷酸铁后，再经过250～600℃的烧结处理脱除结晶水得到的。脱水磷酸铁晶体为原料合成磷酸铁锂的好处在于，其结构与目标产物具有相似性，经过一次高温烧结就可以得到稳定性好的高容量产品。但价格高，而且脱水过程易产生磁性物质、能耗高、设备要求高，对整个制造过程的品质控制能力要求非常高。

因此，问题仍然是要发现一种简单的、优化的工艺，来制造应用于电池的更高品质的、更低成本的磷酸铁锂正极材料。