碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的制备方法与流程

本发明涉及碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的制备方法。

背景技术：

随着对移动设备的技术开发与需求的增加，对作为能源的二次电池的需求也正急剧增加。在这种二次电池中，能量密度和电压高、循环寿命长、自放电率低的锂二次电池被商用化，并被广为利用。

现有的锂二次电池使用含锂的钴氧化物(LiCoO₂)作为正极活性物质的主要成分，但由于上述含锂的钴氧化物的安全性低、价格昂贵，因而存在难以批量生产锂二次电池的问题。

最近，与锂相比，具有3.5V的电压、3.6g/cm³的高容积密度、170mAh/g的理论容量，且与钴相比，不仅高温安全性优良，而且价格低廉的磷酸铁锂(LiFePO₄)化合物作为锂二次电池的正极活性物质正受到瞩目。

作为上述磷酸铁锂化合物的制备方法，众所周知的有固相法或水热合成法及超临界水法等液相法，最近正在研发以乙二醇或二乙二醇等非水溶液作为反应溶剂的醇热法(glycothermal)。在上述水热合成法及超临界水法的情况下，由于在制备磷酸铁锂纳米粉末时在高温/高压条件下进行反应，因而存在安全性问题，而根据上述醇热法来制备的磷酸铁锂纳米粉末具有难以控制粒子大小及粒度分布的问题。

另一方面，与包含锂的其他的正极活性物质相比，上述磷酸铁锂存在导电度相对低的问题。详细地，与锂钴氧化物(LiCoO₂)的导电度为10^-4S/cm、锂锰氧化物(LiMn₂O₄)的导电度为10^-5S/cm相比，磷酸铁锂的导电度为10^-9S/cm，小10000倍以上，因而，为了补充这种磷酸铁锂材料本身的低导电度，应将正极材料粒子制成纳米大小的粒子，并且，为了提高导电度，有必要在正极材料粒子表面形成导电度高的导电层。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了解决如上所述的问题，本发明提供使用新反应溶剂，通过在短时间内制备出作为磷酸铁锂纳米粉末前体的纳米种子粒子之后，对上述粒子进行热处理的简单的两个步骤的工序，能够制成既使粒子大小及粒度分布得到控制，又在粒子上形成有碳涂敷层的磷酸铁锂纳米粉末的方法。

解决技术问题的手段

本发明的用于实现上述目的的一实施例提供碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的制备方法，上述方法包括：步骤(a)，在三乙醇胺(triethanolamine)溶剂中放入锂前体、铁前体及磷前体来制备混合溶液；步骤(b)，向反应器内投入上述混合溶液并进行反应来制备非晶质的磷酸铁锂纳米种子(seeds)；以及步骤(c)，对所制备的上述磷酸铁锂纳米种子进行热处理来制备粒子的一部分表面或整个表面涂敷有碳的磷酸铁锂纳米粉末。

并且，本发明的一实施例提供通过上述方法来制备的碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末及包含它的正极活性物质。

并且，本发明的一实施例提供包含上述正极活性物质的正极及包含上述负极的锂二次电池。

发明的效果

根据本发明的碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的制备方法，通过两个步骤的简单工序，能够在短时间内制备既使粒子大小及粒度分布得到控制，又在粒子上形成有碳涂敷层的磷酸铁锂纳米粉末。

以如上所述的方式制备的包含磷酸铁锂纳米粉末作为正极活性物质的锂二次电池在容量及稳定性方面优良。

附图说明

图1表示根据本发明一实施例来制备的作为磷酸铁锂纳米粉末的前体的磷酸铁锂纳米种子的X射线衍射(XRD)图谱(实施例1)。

图2表示根据本发明一实施例来制备的作为磷酸铁锂纳米粉末的前体的磷酸铁锂纳米种子的电子显微镜(SEM)照片(实施例1)。

图3表示根据本发明一实施例，通过改变热处理温度来制备的碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的X射线衍射(XRD)图谱(实施例1a、1b及1c)。

图4为表示根据本发明一实施例，通过改变热处理温度来制备的碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的电子显微镜(SEM)照片(实施例1a、1b及1c)。

图5表示根据本发明的比较例1来制备的磷酸铁锂纳米粉末的电子显微镜(SEM)照片(比较例1)。

具体实施方式

以下，对本发明进行更详细的说明。

本发明在制备磷酸铁锂纳米粉末过程中，通过首先制备磷酸铁锂纳米种子粒子后，再对上述纳米种子粒子进行热处理的两个步骤的简单工序，能够制备出既使纳米粒子及粒度分布得到控制，又在粒子上形成有碳涂敷层的磷酸铁锂纳米粉末。

在用于实现本发明的目的的一实施例中，提供碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的制备方法，上述方法包括：步骤(a)，在三乙醇胺溶剂中放入锂前体、铁前体及磷前体来制备混合溶液；步骤(b)，向反应器内投入上述混合溶液并进行反应来制备非晶质的磷酸铁锂纳米种子；以及步骤(c)，对所制备的上述磷酸铁锂纳米种子进行热处理来制备粒子的一部分表面或整个表面涂敷有碳的磷酸铁锂纳米粉末。

本发明的另一实施例中，在上述步骤(b)中制备的纳米种子粒子能够经过选自冷却步骤、清洗步骤及干燥步骤中的一种以上的步骤。

以下，按不同的步骤进行详细的说明。

混合溶液的制备步骤(步骤a)

首先，准备锂前体、铁前体及磷前体，并将这些放入用作反应溶剂的三乙醇胺中，从而制备出均匀的混合溶液。

所投入的上述锂前体可以为选自由醋酸锂二水合物(CH₃COOLi·2H₂O)、氢氧化锂一水合物(LiOH·H₂O)、氢氧化锂(LiOH)、碳酸锂(Li₂CO₃)、磷酸锂(Li₃PO₄)、磷酸锂十二水合物(Li₃PO₄·12H₂O)及草酸锂(Li₂C₂O₄)组成的组中的一种或两种以上的混合物。

所投入的上述铁前体可以为选自由柠檬酸铁(FeC₆H₅O₇)、柠檬酸铁水合物(FeC₆H₅O₇·nH₂O)、硫酸亚铁七水合物(FeSO₄·7H₂O)、草酸亚铁二水合物(FeC₂O₄·2H₂O)、乙酰丙酮铁(Fe(C₅H₇O₂)₃)、磷酸铁二水合物(FePO₄·2H₂O)及氢氧化铁(FeO(OH))组成的组中的一种或两种以上的混合物。

所投入的磷前体可以为选自由磷酸铵三水合物((NH₄)₃PO₄·3H₂O)、磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)、磷酸二氢铵(NH₄H₂PO₄)及磷酸(H₃PO₄)组成的组中的一种或两种以上的混合物。

另一方面，当制备上述混合溶液时，锂前体、铁前体及磷前体的投入比率不受特殊限制，例如，能够以与0.1～10:1:0.1～10相对应的摩尔比投入。

并且，当将用作反应溶剂的三乙醇胺的量定为1重量份时，能够投入约0.005至10重量份的铁前体，且锂前体及磷前体能够以与上述铁前体相对应的上述的摩尔比来投入。

当制备上述混合溶液时，还能包括以使锂前体、铁前体及磷前体均匀地分散于作为反应溶剂的三乙醇胺内的方式进行搅拌的步骤。

另一方面，本发明中的反应溶剂可以为非水溶液的沸点比较高的三乙醇胺。

上述三乙醇胺的沸点约为335℃左右。

另一方面，确认了磷酸铁锂纳米粉末能够在约150℃以上的温度条件下进行合成，作为上述磷酸铁锂纳米粉末的前体的纳米种子粒子能够在约120℃以上的温度条件下进行合成。

即，本发明为了磷酸铁锂纳米粉末的合成，首先制备纳米种子粒子，在使用如上所述的反应溶剂的情况下，种子粒子能够在约120～335℃左右进行合成，因而能使步骤(b)在反应溶剂的沸点(335℃)以下的温度下也能进行反应，从而减少反应溶剂气化的程度，由此，与现有的水热合成法等相比，在进行反应的过程中气化的溶剂所引起的压力上升明显减少，因而提高整个工序的安全性。

并且，由于上述三乙醇胺为非水溶剂，因此具有在不使用还原剂的情况下也能解决铁的氧化问题的优点。

磷酸铁锂纳米种子粒子的制备步骤(步骤b)

然后，向反应器内投入上述混合溶液，而在上述步骤中制成非晶质的磷酸铁锂纳米种子(seeds)。

所使用的上述反应器可以为在本发明所属技术领域中通常用于制备磷酸铁锂纳米粉末的反应器，上述反应器的种类不受特殊限制。例如，可以为开放型反应器或密封型反应器。

上述步骤(b)可以在所使用的反应溶剂的沸点以下的温度，例如能够在120～335℃的温度范围内进行0.1～48小时。

另一方面，由于上述反应不是用于合成结晶化的磷酸铁锂纳米粉末，而是用于合成作为磷酸铁锂纳米粉末的前体物质的磷酸铁锂纳米种子粒子，因而不需要长时间的结晶化时间。因此，用于制备上述种子的步骤(b)的反应时间优选为短时间。

在本发明一实施例中，在使用三乙醇胺作为上述反应溶剂的情况下，上述步骤(b)能够在120～335℃的温度范围内进行0.1～24小时，更具体地，能够在150～335℃的温度范围内进行0.1～5小时。

通过上述步骤(b)来制备的磷酸铁锂纳米种子粒子为非晶质。只要能够通过相继进行的热处理过程(步骤c)来制成结晶化的纳米粉末粒子，上述纳米种子粒子就不受特殊限制。

另一方面，上述磷酸铁锂纳米种子粒子能够具有例如50nm以下的粒子大小(以下，简称为粒径)。

另一方面，在上述步骤(b)中制备的纳米粉末种子粒子通过选自冷却步骤、清洗步骤及干燥步骤中的一种以上的步骤。

例如，所制备的纳米种子粒子能够先经过冷却后，再依次使用丙酮和甲醇来进行清洗。

并且，所清洗的纳米种子粒子能够经过干燥步骤，在上述干燥步骤中的干燥方法不受特殊限制，例如，能够在20～160℃温度下进行2～40小时。

磷酸铁锂纳米粉末的制备步骤(步骤c)

对于通过上述步骤(b)来制备的磷酸铁锂纳米种子粒子在非活性气氛下进行热处理，能够制备出粒子的一部分表面或整个表面涂敷有碳的磷酸铁锂纳米粉末。

上述热处理能够在400～900℃的温度范围进行加热，且热处理时间不受特殊限制，例如，可以为0.5～5小时。

另一方面，上述热处理步骤能够在非活性气氛下进行，例如，能够在氩(Ar)或氮(N₂)气氛下进行。

上述步骤(c)中制备的磷酸铁锂纳米粉末是在步骤(b)中制备的非晶质的纳米种子粒子经过上述热处理来实现结晶化的物质，通过上述结晶化来形成为粉末粒子。

并且，在上述结晶化的粉末粒子的一部分表面或整个表面形成有碳涂敷层。

详细地，上述涂敷层的前体可以为残留于粒子的表面的已使用的反应溶剂。详细地，作为所使用的上述溶剂的三乙醇胺在干燥步骤之后也可能在粒子的表面残留一部分，使其通过在400～900℃的温度范围进行加热的热过程来实现碳化，从而能够以碳涂敷层的方式形成于粒子的表面。

另一方面，还能使用额外的有机化合物作为碳涂敷层的前体，上述额外的有机化合物为了能够在磷酸铁锂纳米粉末粒子的表面形成碳涂敷层而投入的步骤不受特殊限制。

在本发明的一实施例中，上述有机化合物能够与锂前体、铁前体及磷前体一同混合于溶剂而制备混合溶液时一并投入。

一方面，在另一实施例中，能够在磷酸铁锂纳米种子粒子形成之后投入上述有机化合物。

进而，在另一实施例中，上述所形成的磷酸铁锂纳米种子粒子能够在经过清洗及干燥步骤后投入于此，或者能够在上述步骤(c)的热处理时投入。

上述有机化合物不受特殊限制，但可以为例如选自由葡萄糖、蔗糖、半乳糖、果糖、乳糖、淀粉、甘露糖、核糖、己醛糖、己酮糖及它们的组合组成的组中的一种或两种以上的混合物。

另一方面，以上述纳米种子的总重量为基准，添加0.1～5重量百分比的上述有机化合物。如果超过上述范围添加，则存在碳涂敷层没有必要地变厚的问题。

形成于通过上述步骤来制备的磷酸铁锂纳米粉末粒子的表面的碳涂敷层的厚度可以为10nm以下，例如，能够形成为1～5nm。

由于磷酸铁锂粉末的导电度低，因而在所制备的微细大小的磷酸铁锂粉末粒子的一部分表面或整个表面形成如上所述的碳涂敷层的情况下，具有补充磷酸铁锂粉末的不足的导电度的效果。

通过上述一系列步骤合成的磷酸铁锂纳米粉末粒子具有橄榄石结构，且在粒子的一部分表面或整个表面形成有碳涂敷层。

另一方面，上述粒子的大小及粒度分布能够一次性地通过改变上述步骤(b)的反应温度和反应时间及锂前体、铁前体及磷前体的种类来进行控制，其次，能够通过上述步骤(c)的热处理温度和热处理时间来进行控制。通常，在热处理温度高或热处理时间长的情况下，粒子会变大。

通过上述过程来制备的碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的粒子大小不受特殊限制，例如，可以为30～300nm，粒度分布也不受特殊限制，例如，可以为粒径平均值的50％以下。

锂二次电池的体现

并且，本发明能够提供包含上述橄榄石结晶结构的磷酸铁锂纳米粉末的正极活性物质。上述正极活性物质除了包含磷酸铁锂粉末之外，还能选择性地包含导电材料、粘合剂及填充剂。

上述导电材料只要是不会对电池引起化学变化且具有导电性的，就不受特殊限制，例如，能够使用天然石墨或人造石墨等石墨；炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉法炭黑、灯黑及热炭黑等炭黑；碳纤维或金属纤维等导电性纤维；氟化碳、铝、镍粉末等金属粉末；氧化锌，钛酸钾等导电性晶须；氧化钛等导电性金属氧化物；聚苯撑衍生物等导电性材料。

以含正极活性物质的混合物的全部重量为基准，通常能够包含1至30重量百分比的上述导电材料。

上述粘合剂只要是辅助活性物质和导电材料等的结合及对集电体的结合的成分，就不受特殊限制，例如可以使用聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸、三元乙丙橡胶(EPDM)、磺化三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、氟橡胶及多种共聚物等。

以含正极活性物质的混合物的全部重量为基准，通常能够包含1至30重量百分比的上述粘合剂。

上述填充剂作为能够选择性地使用为用于抑制电极膨胀的成分，只要是不会对相关电池引起化学变化的纤维状材料，就不受特殊限制，例如，能够使用聚乙烯、聚丙烯等烯烃类聚合物；玻璃纤维、碳纤维等纤维状物质。

并且，本发明一实施例提供上述正极活性物质涂敷于集电体上的锂二次电池用正极。

上述锂二次电池用正极能够通过例如将上述正极活性物质溶解于溶剂来制成浆料后，涂敷于集电体上，并进行干燥及压延的方式制成。

上述正极集电体只要是不会对相关电池引发化学变化且具有导电性的，就不受特殊限制。例如，能够使用不锈钢、铝、镍、钛、煅烧碳或在利用碳、镍、钛及银等对铝或不锈钢的表面进行表面处理的材料等。

另一方面，上述集电体的厚度通常可以为3至500μm，集电体能够在其表面形成微细凹凸来提高正极活性物质的粘结力。例如能够以膜、薄片、箔、网、多孔体、发泡体及无纺布体等多种形态使用。

并且，本发明一实施例能够提供由包含上述正极活性物质的正极(cathode)、负极(anode)、隔膜及含锂盐的非水类电解液构成的锂二次电池。

上述负极通过例如在负极集电体上涂敷包含负极活性物质的负极混合剂后进行干燥来制成，上述负极混合剂可以根据需要来包含如上所述的导电材料、粘合剂及填充剂等成分。

上述负极集电体只要是不会对电池引起化学变化且具有高导电性的，就不受特殊限制，例如，能够使用铜、不锈钢、铝、镍、钛、煅烧碳、铜或利用碳、镍、钛及银等对不锈钢的表面进行表面处理的材料、铝-镉合金等。

另一方面，上述集电体的厚度通常可以为3μm至500μm，与负极集电体相同，能够在上述集电体的表面形成微细凹凸，来强化负极活性物质的接合力。例如能够以膜、薄片、箔、网、多孔体、发泡体及无纺布体等多种形态使用。

上述隔膜设在正极与负极之间，能够使用具有高的离子渗透度和机械性强度的绝缘性的薄膜。

隔膜的气孔直径通常可以为0.01至10μm、厚度通常为5至300μm。

作为上述隔膜，例如，可使用具有耐化学性及疏水性的聚丙烯等烯烃类聚合物；由玻璃纤维或聚乙烯等制成的薄片或无纺布。

在使用聚合物等固体电解质作为电解质的情况下，固体电解质可兼作隔膜。

上述含锂盐的非水类电解液由电解液与锂盐组成，作为上述电解液，使用非水类有机溶剂或有机固体电解质。

上述非水类有机溶剂能够使用例如N-甲基吡咯烷酮、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁内酯、1,2-二甲氧基乙烷、四羟基呋喃、2-甲基四氢呋喃、二甲基亚砜、1,3-二氧戊环、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊环衍生物、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-咪唑啉酮、碳酸丙烯酯衍生物、四氢呋喃衍生物、醚、丙酸甲酯及丙酸乙酯等非质子性有机溶剂。

作为上述有机固体电解液，能够使用例如聚乙烯衍生物、聚环氧乙烷衍生物、聚环氧丙烷衍生物、磷酸酯聚合物、聚搅拌赖氨酸(poly agitation lysine)、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯及含离子性解离基的聚合物。

上述锂盐作为易于溶解于上述非水类电解质的物质，能够使用例如LiCl、LiBr、LiI、LiClO₄、LiBF₄、LiB₁₀Cl₁₀、LiPF₆、LiCF₃SO₃、LiCF₃CO₂、LiAsF₆、LiSbF₆、LiAlCl₄、CH₃SO₃Li、CF₃SO₃Li、(CF₃SO₂)₂NLi、氯硼锂、低级脂肪族羧酸锂、4-苯硼酸锂及酰亚胺等。

并且，为了改善充放电特性、阻燃性等，能够在电解液中添加例如吡啶、亚磷酸三乙酯、三乙醇胺、环状醚、乙二胺、n-甘醇二甲醚(glyme)、六磷酸三酰胺、硝基苯衍生物、硫磺、醌亚胺染料、N-取代恶唑烷酮、N,N-取代咪唑啉、乙二醇二烷基醚、铵盐、吡咯、2-甲氧乙醇及三氯化铝等。根据不同情况，为了赋予不燃性，还可包含四氯化碳、三氟乙烯等含卤素的溶剂，且为了提高高温保存特性，还可包含二氧化碳气体。

如上所述，本发明的碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的制备方法使用作为非水溶剂的新反应溶剂的三乙醇胺作为反应溶剂，因而与现有的水热合成法、超临界水法或醇热法相比，能够在相对的低压条件下进行反应，因此，由于不使用高温/高压反应器，能够容易地制备既确保工序的安全性和经济性，又具有均匀的粒子大小、且粒度分布得到控制的磷酸铁锂纳米粉末。

并且，通过先制备磷酸铁锂纳米种子粒子后，再对上述纳米种子粒子进行热处理的两个步骤的简单工序，也能制备出使纳米粒子及粒度分布得到控制的纳米粉末，且不需要额外的热处理步骤，也能在粒子上形成有碳涂敷层，因而具有工序的经济性，有利于大量生产的优点。并且，通过上述碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末的制备方法来制备的磷酸铁锂纳米粉末还能够补充不足的导电度，由此改善作为正极活性物质的特性，因而有利于产业性。

实施例

以下，为了具体说明本发明而举出实施例进行详细说明。但本发明的实施例能够变更为多种形态，本发明不应解释为本发明的范围局限于以下的实施例。本发明的实施例为了向本发明所属技术领域的普通技术人员更加完整地说明本发明而提供。

实施例1(1a、1b及1c)

将2.52g的氢氧化锂水合物(LiOH·H₂O)、14.7g的柠檬酸铁水合物(FeC₆H₅O₇·nH₂O)及5.88g的磷酸(H₃PO₄)放入300ml的三乙醇胺中并进行充分搅拌来制成混合溶液。

向500ml的反应器投入充分搅拌的上述混合溶液，并在220℃温度下进行50分钟的反应。

在上述反应结束之后，冷却剩下的反应液，并使用丙酮及甲醇来依次进行清洗。

在结束清洗之后，利用真空干燥机对生成物进行干燥。

利用X射线衍射光谱法及电子显微镜来对经过上述清洗/干燥步骤结束后所得的生成物进行分析，结果能够确认，通过上述反应所得的生成物为非晶质的磷酸铁锂纳米种子粒子(参照图1及图2)。

然后，在氩气氛的炉(furnace)中，分别在600℃(a)(实施例1a)、650℃(b)(实施例1b)、700℃(c)(实施例1c)温度下对上述所得的非晶质的磷酸铁锂纳米种子粒子进行2小时的热处理。

利用X射线衍射光谱法及电子显微镜来对经过上述热处理所得的生成物进行分析，结果能够确认，得到了分别由粒径约为30nm的均匀的一次粒子(参照图3(a)及图4(a))(实施例1a)、粒径约为70nm的均匀的一次粒子(参照图3(b)及图4(b))(实施例1b)、粒径约为100nm的均匀的一次粒子(参照图3(c)及图4(c))(实施例1c)形成的碳涂敷磷酸铁锂纳米粉末。

比较例1

将0.42g的氢氧化锂水合物(LiOH·H₂O)、2.45g的柠檬酸铁水合物(FeC₆H₅O₇·nH₂O)及0.98g的磷酸放入50ml的乙二醇中并进行充分搅拌来制成混合溶液。

在向100ml的高温/高压水热反应器投入充分搅拌的上述混合溶液之后，在210℃温度下进行18小时的反应。

在上述反应结束之后，冷却剩下的反应液，并使用丙酮及甲醇来依次进行清洗。

在清洗结束之后，利用真空干燥机对生成物进行干燥。

利用X射线衍射光谱法及电子显微镜来对经过上述清洗/干燥步骤结束后所得的生成物进行分析，结果能够确认，上述反应生成物作为粒径大小为200nm～1000nm的锂磷酸铁粉末，得到了个别粒子大、具有均匀性低的粒度分布的碳涂敷的磷酸铁锂纳米粉末(参照图5)。

通过上述实施例及比较例能够确认，根据本发明的方法来制备的磷酸铁锂纳米粉末的粒子小且均匀，粒度分布特性优良。