一种磷酸铁锂材料及其制备方法、锂离子电池和用电设备与流程

本发明属于二次电池，具体涉及一种磷酸铁锂材料及其制备方法、锂离子电池和用电设备。

背景技术：

1、1997年，goodenough等人首次报道了具有橄榄石型结构的磷酸铁锂能够可逆地嵌入和脱出锂离子，其理论比容量为170mah/g，具有3.5v的电压平台，并且原材料来源丰富、无毒、对环境友好、安全性高、比容量高、循环性能稳定、价格低廉，被认为是锂离子动力电池理想的正极材料。

2、近年来，随着人们对lifepo4研究的深入，人们发现纯的lifepo4材料在充放电倍率越高时，容量衰减越严重。主要原因是受到lifepo4结构的限制，从而导致了电子电导率和锂离子扩散速率过低。

3、为解决上述技术问题，现有技术中，通常可以通过改变烧结温度和保温时间来优化颗粒尺寸，但烧结温度越高，保温时间越长，会导致磷化铁杂质的生成，容量相对应的会降低；烧结温度低，保温时间短，颗粒结晶性较差，粉体压实低，循环保持率也变差；另外，磷酸铁锂制备过程中，常见的砂磨物料溶剂一般是水溶液，喷雾干燥后水分残留比较多，烧结过程中水分不易跑出，容易造成喷料以及锂渗入磷酸铁后分布不均匀，阻碍锂离子迁移的路径以及速率；异丙醇作为溶剂可以在较低烧结过程中进行挥发，产生更多的孔隙，增加锂离子的传输路经，同时锂分布更加均匀，但是异丙醇作为溶剂进行砂磨喷雾非常危险，而且溶解磷酸铁的能力很差，极易造成设备堵料以及起火危险，其次会提高材料的活性，需要的烧结温度更低一些。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的磷酸铁锂材料存在的电子电导率和锂离子扩散速率过低、高倍率充放电时容量衰减严重等缺陷，从而提供一种磷酸铁锂材料及其制备方法、锂离子电池和用电设备。

2、为此，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种磷酸铁锂材料的制备方法，包括如下步骤：

4、s1，将锂源，磷酸铁，分散性碳源，溶剂混合，喷雾干燥，得到混合物料；其中，溶剂为水和异丙醇的混合物，水与溶剂的质量比为ip；

5、s2，将所得混合物料与干粉碳源混合，粉碎，烧结，得到磷酸铁锂材料；

6、其中，烧结温度is℃，烧结时间it小时，水与溶剂的质量比ip满足如下关系式：

7、i的取值范围为0.47～2.28。

8、本发明中，当i＝1时，材料的容量和循环性能最优。当i＜1时，随着i值的减小，材料的循环保持率下降，当i＞1时，随着i值的增加，材料的容量下降。

9、可选地，步骤s1中，在喷雾干燥之前还包括研磨步骤。其中，研磨作用：一方面将物料混合到一起，其次将物料研磨到纳米级别进行二次组合，可使后面的烧结温度更低，节能减排。

10、在一些实施方式中，步骤s2中，烧结温度为820℃～860℃，烧结时间为6h～10h。

11、在一些实施方式中，步骤s1中，水与溶剂的质量比为0.6≤ip＜1。

12、在一些实施方式中，i的取值范围为0.6～2.2。

13、在一些实施方式中，步骤s1中，以元素计，li/fe摩尔比为0.99～1.01；

14、和/或，所述分散性碳源用量为磷酸铁质量的3％-6％；

15、和/或，步骤s1中，物料混合的固液比为3:7～7:3；

16、和/或，所述喷雾干燥的压力范围为0.2mpa～0.3mpa。

17、在一些实施方式中，步骤s2中，所述干粉碳源的用量为磷酸铁用量的5％-10％；

18、和/或，步骤s2中粉碎的粒径要求为0.5μm≤d50≤0.6μm。

19、在一些实施方式中，步骤s1中，所述分散性碳源包括酯类化合物或糖类化合物中的至少一种；

20、本技术中，步骤s1中分散性碳源的作用是降低粘度，提高固含量，以及起到补充碳源的作用，对分散性碳源的具体选择没有特殊要求，只要能起到上述作用即可，本领域技术人员可根据实际情况进行筛选。

21、和/或，步骤s2中，所述干粉碳源包括聚乙烯醇，葡萄糖、淀粉、聚乙二醇中的至少一种；

22、和/或，步骤s1中，所述锂源包括氢氧化锂，碳酸锂、磷酸锂、硝酸锂中的至少一种。

23、本发明还提供一种上述的制备方法制备得到的磷酸铁锂材料。

24、本发明还提供一种锂离子电池，包括上述的磷酸铁锂材料。

25、本发明还提供一种用电设备，包括上述的锂离子电池。

26、本发明提供的锂离子电池，除了选择本发明提供的磷酸铁锂材料作为正极活性材料外，其他组成和制备方法均为领域内常规的。典型非限定性地，所述锂离子电池包括正极片、隔膜、电解液、负极片，其中，所述正极片还包括集流体，正极活性材料结合在集流体上，结合的工艺可以采用现有的涂布和冷压工艺。具体地，将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照常规比例混合均匀并加入到溶剂中，制成正极浆料；将正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上，烘干后冷压，再进行模切、分条，制成正极片。其中该正极浆料的固含量可以为70-75％，导电剂可以为常规导电剂，例如乙炔黑，粘结剂可以为常规粘结剂，例如丁苯橡胶或聚偏氟乙烯pvdf，溶剂可采用常规有机溶剂，例如n-甲基吡咯烷酮nmp。

27、本发明中，负极极片的组成和制备方法均为领域内常规的，例如，可以采用锂片作为负极极片。

28、本发明的电解液可采用常规市售的锂离子电解液，也可采用现有常规材料自制，例如可采用包括溶剂、锂盐和添加剂的电解液，所述溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯中的至少一种。所述锂盐选自六氟磷酸锂和/或四氟硼酸锂；所述添加剂选自碳酸亚乙烯酯、碳酸丙烯酯、硫酸乙烯酯和二氟磷酸锂中的至少一种。锂盐的摩尔浓度为0.8-1.2mol/l，可采用体积比为1:1:1-5:3:2的碳酸乙烯酯(ec)、碳酸二甲酯(dec)、碳酸甲乙酯(emc)的混合液为溶剂。添加剂的体积百分数可以为0.5-5％。本发明的可采用现有的传统隔膜，例如pe隔膜、pp隔膜、pp/pe复合薄膜，或者其他市售隔膜。

29、本发明中，所述锂离子电池的组装方法为领域内常规的，在此不做具体限定。

30、本发明中，所提供的采用上述锂离子电池的用电设备没有特别限制。典型非限定性地，所述用电设备包括但不限于，电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)，移动设备(例如手机、笔记本电脑、平板电脑、录像机、照相机、收音机等)，可穿戴设备(例如智能手表、智能手环、头戴式立体声耳机、蓝牙耳机等)，照明器具(如闪光灯等)，玩具，游戏机，钟表，电动工具，生活家电(例如扫地机器人、洗地机等)，船舶及卫星，储能系统等。

31、本发明技术方案，具有如下优点：

32、本发明提供的磷酸铁锂材料的制备方法，包括如下步骤：s1，将锂源，磷酸铁，分散性碳源，溶剂混合，喷雾干燥，得到混合物料；其中，溶剂为水和异丙醇的混合物，水与溶剂的质量比为ip；s2，将所得混合物料与干粉碳源混合，研磨，烧结，得到磷酸铁锂材料；其中，烧结温度为is℃，烧结时间为it小时，水与溶剂的质量比ip满足如下关系式：

33、i的取值范围为0.47～2.28。通过合理调控水和异丙醇的溶剂比例以及控制烧结温度、保温时间之间的关系，提高材料的电子电导率同时提高材料的锂离子扩散速率，从而提高磷酸铁锂材料的放电容量以及循环稳定性。此外，本技术的制备工艺简单，周期短，易合成，便于推广应用。