磷酸铁锂正极材料及其制备方法与应用和锂离子电池与流程

本发明涉及锂离子电池，具体涉及一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法与应用和锂离子电池。

背景技术：

1、世界面临不断严峻的能源问题与环境问题，人们力求寻找出可替代传统能源的新能源。锂离子电池作为二次电池，自1991年商业化以来便迅速发展，对电池器件的循环稳定性、倍率性、能量密度、安全性等电化学性能有了更高的要求，这些性能目前仍然存在改进的空间。目前使用的磷酸铁锂正极材料是应用最早、最广泛的锂离子正极材料。lifepo4具有橄榄石型结构，pnma空间群，其晶格常数为a＝0.4699nm，b＝0.6011nm，c＝0.4699nm。在lifepo4的晶体结构中，o原子呈略微扭曲的六方形紧密堆积，p占据o四面体的4c位，形成po4四面体。fe和li分别占居o八面体的4c和4a位，形成fepo6和lio6八面体，li在4a位置形成共边的直链并与b轴平行，使得li+在充放电过程中可以自由脱嵌，并且p-o共价键的存在使得脱嵌锂的过程中不会发生剧烈的体积膨胀和收缩。

2、磷酸铁锂正极材料的理论比容量为170mah/g，放电平台为3.5v，充放电循环性能良好。但是，受自身晶体结构限制，磷酸铁锂正极材料导电性差并且离子迁移速率缓慢。根据研究表明，在充放电末期，脱嵌锂过程受li+扩散控制而影响lifepo4的电化学性能。此外，在充放电循环时，为保持电荷平衡，电子的迁移必然伴随li+的嵌入和脱出，若电子不能及时导入或导出，富集的电子将通过极化效应反过来限制li+的嵌入和脱出，使得材料电化学性能恶化。

3、另一方面，磷酸铁锂的压实密度低会导致材料能量密度较低，进而影响材料的电化学性能。压实密度与片比容量、效率、内阻以及电池的循环性能有密切关系，对电池性能有较大的影响。一般情况下，压实密度越大，电池的容量就越高，因而压实密度也常常被看作材料能量密度的参考指标之一。在工艺条件一定的情况下，材料的压实密度越大，其能量密度也越大，电池的容量也越高。

4、随着技术的不断发展，电池的容量也在不断提升，电池的安全性受到越来越多的关注，当正极材料中存在金属/合金杂质时，电池合成阶段的电压达到这些金属元素的氧化电位后，这些金属/合金就会先在正极氧化成为金属离子，继而扩散到负极还原在负极表面生成金属单质，当负极表面的金属单质累积到一定程度后，有可能成为枝晶，并刺穿隔膜，造成电池自放电，严重的情况下还可能引起热失控，导致燃烧、爆炸等安全事故。因而，正极材料中金属/合金的量必须严格的进行管控。

5、因此，急需开发一款具备高能量密度高纯度并且兼顾良好电性能的磷酸铁锂正极材料满足市场需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术存在的磷酸铁锂正极材料能量密度低、导电性差以及纯度不高的问题，提供了一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法与应用和锂离子电池。本发明采用碳热还原法，通过控制磷酸铁锂颗粒的形貌及大小提高其能量密度，通过部分颗粒纳米化以及金属离子掺杂的双重设计提高其导电性，通过控制磷酸铁的形貌为块状减少合金杂质的生成提高其纯度，该方法生产成本低，可以制得具备高能量密度、良好导电性且高纯度的磷酸铁锂正极材料。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种磷酸铁锂正极材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：将锂源、无水磷酸铁、碳源以及金属离子掺杂剂的混合液依次进行研磨处理、第一除磁性物质和喷雾处理，得到前驱体粉末；烧结所述前驱体粉末后冷却，依次进行第二除磁性物质、过筛、气碎、第三除磁性物质，得到所述磷酸铁锂正极材料；

3、其中，所述无水磷酸铁的微观形貌为块状，振实密度为0.7-1.1g/cm3，bet为3-8m2/g。

4、本发明第二方面提供了一种本发明第一方面所述的制备方法制得的磷酸铁锂正极材料。

5、本发明第三方面提供了一种本发明第二方面所述的磷酸铁锂正极材料在锂离子电池技术领域的应用。

6、本发明第四方面提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括本发明第二方面所述的磷酸铁锂正极材料制成的正极，负极，隔膜和电解液。

7、与现有技术对比，本发明具有如下有益效果：

8、(1)本发明提供的磷酸铁锂正极材料的制备方法，可以同时改善磷酸铁锂的压实密度、电导率及纯度，并且具有生产成本低的特点，可以进行工业化生产；

9、(2)本发明通过改变磷酸铁的形貌，使用块状磷酸铁替换片状磷酸铁，改善锂源与无水磷酸铁的接触，提高其锂化效率，阻止大量合金杂质的产生，从而提高磷酸铁锂正极材料的纯度，并且通过三次除磁性物质进一步提高磷酸铁锂正极材料的纯度；

10、(3)本发明提供的磷酸铁锂正极材料，具有压实密度高、电导率高且纯度高等优点，为制备高容量、高导电性、高安全性的锂离子电池提供优质的正极材料。

技术特征：

1.一种磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将锂源、无水磷酸铁、碳源以及金属离子掺杂剂的混合液依次进行研磨处理、第一除磁性物质和喷雾处理，得到前驱体粉末；烧结所述前驱体粉末后冷却，依次进行第二除磁性物质、过筛、气碎、第三除磁性物质，得到所述磷酸铁锂正极材料；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的制备方法，其中，所述研磨处理包括第一研磨和第二研磨，优选所述研磨处理采用砂磨；

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的制备方法，其中，所述喷雾处理的条件包括：

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的制备方法，其中，

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的制备方法，其中，

8.权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制得的磷酸铁锂正极材料。

9.权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料在锂离子电池技术领域的应用。

10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料制成的正极，负极，隔膜和电解液。

技术总结
本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法与应用和锂离子电池。所述磷酸铁锂正极材料的制备方法包括如下步骤：将锂源、无水磷酸铁、碳源以及金属离子掺杂剂的混合液依次进行研磨处理、第一除磁性物质和喷雾处理，得到前驱体粉末；烧结所述前驱体粉末后冷却，依次进行第二除磁性物质、过筛、气碎、第三除磁性物质，得到所述磷酸铁锂正极材料；其中，所述无水磷酸铁的微观形貌为块状，振实密度为0.7‑1.1g/cm<supgt;3</supgt;，BET为3‑8m<supgt;2</supgt;/g。该方法生产成本低，可以同时改善磷酸铁锂的压实密度、电导率及纯度，制得具有高能量密度、良好导电性且高纯度的磷酸铁锂正极材料。

技术研发人员：孟圣,刘建波,夏冬炎,陈明
受保护的技术使用者：贵州安达科技能源股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13