专利名称：：锂离子二次电池正极活性物质磷酸亚铁锂的制备方法
技术领域：
：本发明是关于一种电池正极活性物质的制备方法，更具体地说，是关于一种锂离子二次电池正极活性物质磷酸亚铁锂的制备方法。
背景技术：
：锂离子电池作为高比容量化学电源已经广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、摄像机、照相机、便携式仪器仪表等领域，也是各国大力研究的电动汽车和空间电源的首选配套电源，成为可替代能源的首选。LiFeP04是锂离子电池正极活性物质的研究热点，与其它锂离子电池正极活性物质相比，LiFeP04具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定，且具有无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点。现有技术中，为了使制备LiFeP04的各种原料混合均匀，一般采用在溶解有碳源的液体介质中搅拌混合可溶性锂源、铁源和磷源，然后将所得混合物干燥后焙烧的方法，例如CN1442917A中公开了一种LiFeP04的制备方法，该方法包括将多元醇或糖溶解到蒸馏水中，然后加入锂源、铁源、磷源，为aR:bLi:cFeP04，a是0.05-0.8，b是0.20-0.99，c是l，剧烈搅拌均匀，然后在惰性气氛下烘干，然后在Ar或N2气氛下升温到焙烧，即可得到碳膜与LiFeP04复合纳米导电材料；具体条件是(1)整个过程在Ar或N2气氛下操作，(2)焙烧温度是600-1000°C，(3)反应时间0.5-24小时；其中，所述铁源为草酸亚铁或/和氢氧化亚铁；所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种或其混合物。采用上述方法制备的磷酸亚铁锂(LiFeP04)的晶体粒度较大、粒度分布不均匀并且生产成本较高，该磷酸亚铁锂用作锂离子二次电池的正极活十生物质时，制得的电池的首次放电比容量低、循环性能差。
发明内容本发明的目的是为了克服采用现有方法制备的磷酸亚铁锂晶体粒度较大、粒度分布不均匀、生产成本较高以及由该磷酸亚铁锂制得的电池的首次放电比容量低、循环性能差的缺陷，提供一种磷酸亚铁锂的制备方法，由该方法制得的磷酸亚铁锂晶体粒度较小、粒度分布均匀、生产成本较低并且由该磷酸亚铁锂制得的电池的首次放电比容量高、循环性能好。本发明的发明人发现，现有方法制备的磷酸亚铁锂(LiFeP04)的晶体粒度较大、粒度分布不均匀的原因在于，锂源、铁源、磷源和碳源在水中混合后干燥时，各物质很难均匀地析出，因此，可能导致得到的前驱体中各元素的分布不均匀；而且在干燥的过程中，各物质单独结晶很容易发生结块，使得到的前驱体的粒度大小很难控制，导致该方法制备的正极活性物质磷酸亚铁锂的晶体粒度较大、粒度分布不均匀。因此，该磷酸亚铁锂用作正极活性物质时，制得的电池的首次放电比容量低、循环性能差。另外，现有方法制备磷酸亚铁锂时用了成本较高的草酸亚铁和磷酸铵盐，因此生产成本较咼°本发明提供了一种锂离子二次电池正极活性物质磷酸亚铁锂的制备方法，该方法包括将锂源、铁源、磷源和碳源在水中混合后干燥、烧结，其中，所述铁源为三氧化二铁，所述磷源为磷酸。与现有的方法相比，本发明的方法使用二氧化三铁作为铁源并使用磷酸作为磷源，将锂源、三氧化二铁、磷酸和碳源在水中混合时，在磷酸的作用下形成络合物，该络合物在溶液中能够形成较稳定的、内部各元素均匀分布的类溶胶；另外，在干燥的过程中，所述类溶胶中的物质以三氧化二铁为晶核，附着在三氧化—铁的表面规则地析出，避免了前驱体中各物质单独结晶造成的结块现象，因此得到的前驱体粒度小且分布均匀，该前驱体烧结后制得的磷酸亚铁锂的晶体粒度较小且分布均匀，由该磷酸亚铁锂制得的电池的首次放电比容量高、循环性能改善显著。另外，本发明的方法制备磷酸亚铁锂时以价格较低的三氧化二铁和磷酸为原料，因此生产成本较低。图1为实施例1中采用本发明方法得到的磷酸亚铁锂的XRD衍射图2为实施例1中采用本发明的方法得到的磷酸亚铁锂的SEM图3为对比例1中采用现有技术的方法制备得到的磷酸亚铁锂的SEM图。具体实施例方式本发明提供的方法包括将锂源、铁源、磷源和碳源在水中混合后干燥、烧结，其中，所述铁源为三氧化二铁，所述磷源为磷酸。锂源、铁源和磷源的摩尔比为Li:Fe:P=0.95-l.l:1:0.95-1.1。以铁源的用量为IOO重量份为基准，碳源的用量为30-110重量份，优选为45-70重量份；水的用量为125-500重量份，优选为150-350重量份。锂源、铁源、磷源和碳源在水中的混合条件只要保证各种原料能够充分接触反应并且前驱体中各元素混合均匀即可，混合时间可以为0.5-6小时，混合温度为5-6(TC。对各原料的混合顺序没有特别的限定，例如，可以先将锂源、铁源、磷源和碳源中的一种或几种加入到水中，然后再加入剩余的原料，也可以将锂源、铁源、磷源和碳源同时加入到水中。在混合过程中，可以进行搅拌，搅拌速率可以为100-3000转/分钟。所述锂源是能为反应提供锂元素且不将杂质带进产物中的含锂化合物，包括氢氧化锂、一水合氢氧化锂、碳酸锂、磷酸锂、十二水合磷酸锂、草酸锂和醋酸锂中的一种或者几种；优选一水合氢氧化锂。所述铁源为形成前驱体的过程中其它物质析出时附着的核心，所述铁源的粒径越小越均匀，所形成的前驱体粒径就越小越均匀，也就越有利于制备粒径小且分布均匀的磷酸亚铁锂。因此，优选所述铁源的中值粒径D5o小于0.7微米且D95小于5.0微米，更优选所述铁源的中值粒径D5Q小于0.5微米且D95小于3.0微米。其中，Dw表示样品的平均粒度大小，即所测样品中有50%的粒子直径小于此值，50%的粒子直径大于此值。D^表示所测样品中有95%的粒子直径小于此值，5%的粒子直径大于此值。所述铁源为不溶于水且不与磷酸反应的三氧化二铁；所述磷源为磷酸，磷酸纯度为分析纯，优选优级纯。三氧化二铁和磷酸均为常用的化工原料，生产技术成熟、价格较低。所述碳源为易溶于水的碳水化合物，优选蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖和麦芽糖的一种或几种，更优选蔗糖和葡萄糖。碳源主要起到两方面的作用在烧结的过程中，一部分碳源将三价铁还原为二价铁，另一部分碳源在得到的磷酸亚铁锂中掺杂碳元素。所述干燥可以使用本领域常用的各种干燥方法，优选为烘干，所述烘干条件如下烘干温度可以为80-160°C，优选100-120°C;烘干时间可以为5-40小时，优选8-24小时。所述烧结优选在惰性气氛下进行，所述烧结温度可以为600-800°C，优选680-750。C;烧结时间可以为5-18小时，优选8-15小时。所述惰性气氛指不与反应物和产物发生化学反应的任意一种气体或气体混合物，如氮气和元素周期表零族气体中的一种或几种。下面将通过具体实施例对本发明做进一步的具体描述。实施例1该实施例说明本发明提供的正极活性物质磷酸亚铁锂的制备方法。将43.3克LiOH'H20(上海中锂实业有限公司，电池专用级，LiOH&〇含量97.01%)、80.4克中值粒径Dso为0.37微米、D95为2.50微米的Fe203(ELEMENTIS，Fe203含量99.3%)、115.0克H3P04(广东光华化学厂有限公司，分析纯，H3P04含量为85.2。/。)、38.2克蔗糖(广东光华化学厂有限公司，分析纯)和200毫升去离子水置于反应器中，以200转/分钟的速率搅拌1.5小时，然后在12(TC下烘干8小时，得到前驱体。将该前驱体在氮气气氛中69(TC下恒温烧结8小时，自然冷却至室温，即可得到本发明提供的正极活性物质磷酸亚铁锂。采用日本理学生产的D/MAX2200PC型X射线粉末衍射仪测LiFeP04/C正极材料，XRD图如图l所示；采用日本JEOL公司生产的JSM-5610LV型扫描电镜测得该磷酸亚铁锂的SEM图如图2所示。从XRD图可以看出，所得的磷酸亚铁锂结晶良好，未观察出任何杂质峰。从SEM图可以看出，晶体粒度分布均匀。'实施例2-6按照实施例1的方法制备正极活性物质磷酸亚铁锂，不同之处在于锂源及其用量、三氧化二铁的用量和粒径、磷酸的用量、碳源及其用量、去离子水的用量、烘干温度和烘干时间、烧结温度和烧结时间，具体区别见表l。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>对比例1该对比例说明现有技术的正极活性物质磷酸亚铁锂的制备方法按照CNi442917A的实施例1公开的方法.将2毫升丙三醇滴加到10毫升蒸馏水中，搅拌均匀。在高速搅拌下加入3.45克LiN03，9克FeC204.9H20和5.8克NH4H2P04，搅拌1小时后，于Nz气氛下12(TC烘干。然后在N2气氛下升温到600°C，焙烧24小时，自然冷却。采用日本JEOL公司生产的JSM-5610LV型扫描电镜测得该磷酸亚铁锂的SEM图如图3所示。将图2和图3进行比较可以看出，对比例1制得的磷酸亚铁锂的晶体粒度分布不如实施例1制得的磷酸亚铁锂均匀。性能测试(1)晶体粒度分布测试采用美国HONEYWELL公司生产的MASTERSIZERX100激光粒度分析仪，分别对实施例l-6和对比例1制备的磷酸亚铁锂的晶体粒子直径进行测量，测量结果如表？所示。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表中，Ds。表示样品平均粒度大小，即所测样品中有50%的粒子直径小于此值，50%的粒子直径大于此值。D,o表示所测样品中有10%的粒子直径小于此值，90%的粒子直径大于此值；D9。表示所测样品中有90%的粒子直径小于此值，10%的粒子直径大于此值。因此D5。与D^的差值以及050与D9。的差值越大，粒子直径的分布越不均匀。从表2可以看出，实施例1-6制备的晶体粒子直径D5Q与D1()的差值以及D5Q与D9。的差值不超过4.0微米，而对比例1制备的晶体粒子直径Dso与D^的差值为6.0微米，Dw与090的差值为10.8微米，说明由本发明方法制备的磷酸亚铁锂粒度分布很均匀，粒子大小均一。另外，从表2的数据还可以看出，与对比例的方法制备的磷酸亚铁锂相比，本发明的方法制备的磷酸亚铁锂晶体粒度较小。(2)制备电池正极的制备分别将90克由实施例1-6和对比例1制得的正极活性物质LiFeP04、5克粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)和5克导电剂乙炔黑加入到50克N-甲基吡咯烷酮中，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的正极浆料。将该正极浆料均匀地涂布在厚度为20微米的铝箔的两侧，然后15(TC下烘干、辊压、裁切制得尺寸为540x43.5毫米的正极，其中含有约5.3克活性成分LiFeP04。负极的制备将卯克负极活性成分天然石墨、5克粘接剂聚偏氟乙烯、5克导电剂炭黑加入到100克N-甲基吡咯垸酮中，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的负极浆料。将该负极浆料均匀地涂布在厚度为12微米的铜箔的两侧，然后在9(TC下烘干、辊压、裁切制得尺寸为500x44毫米的负极，其中含有约3.8克活性成分天然石墨。电池的装配分别将上述的正、负极与聚丙烯膜巻绕成一个方型锂离子电池的极芯，随后将LiPF6按1摩尔/升的浓度溶解在EC/EMC/DEC=1:1:1的混合溶剂中形成非水电解液，将该电解液以3.8g/Ah的量注入电池铝壳中，密封，分别制成本发明的锂离子二次电池A1-A6以及对比例的锂离子二次电池AC1。(3)电池性能测试将上述制得的锂离子A1-A6及AC1电池分别放在测试柜上，先以0.2C进行恒流充电，充电上限至4,2伏；搁置20分钟后，以0.2C的电流从4.2伏放电至2.5伏，记录电池的首次放电容量，并按照下述公式计算电池的质质量比容量=电池首次放电容量(毫安时)/正极材料重量(克)结果如下表3所示。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>从表3中的数据可以看出，由对比例1制备的磷酸亚铁锂，制备的电池AC1的首次放电容量和质量比容量性能均不理想，由本发明实施例制备的磷酸亚铁锂制成的电池Al-A6首次放电容量和质量比容量都有明显提高。(4)循环性能测试对使用上述实施例l-6和对比例1方法制得的电池的循环性能，在常温、相对湿度25-85%环境条件下，分别进行了测定。测定方法如下首先，使用BS-9300(R)二次电池性能检测装置，以200毫安(0.2C)的电流给待测电池充电至3.8伏，搁置5分钟，然后用以1000毫安(1C)放电至2.5伏，再搁置5分钟，用200毫安(0.2C)恒流充电至4.2伏，充电截止电流20毫安。然后以200毫安放电至2.5伏，测定得到电池放电的初始容量。循环重复以200毫安(0.2C)恒流充电至4.2伏；再以200毫安(0.2C)放电至2.5伏的充放电过程，记录第1次和第30次的循环结束容量，并按下式计算电池容量剩余率容量剩余率—盾环结束容量/初始容量X100%。测定结果如表4所示。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>从表4所示的结果可以看出，使用本发明的方法制备的磷酸亚铁锂与现有方法制备的磷酸亚铁锂分别制成电池后，本发明的方法制成的电池循环性能显著改善。权利要求1、一种锂离子二次电池正极活性物质磷酸亚铁锂的制备方法，该方法包括将锂源、铁源、磷源和碳源在水中混合后干燥、烧结，其特征在于，所述铁源为三氧化二铁，所述磷源为磷酸。2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述锂源、铁源和磷源的摩尔比为Li:Fe:P=0.95-l.l:1:0.95-1.1;以铁源的用量为100重量份为基准，所述碳源的用量为30-110重量份，水的用量为125-500重量份。3、根据权利要求1所述的方法，其中，三氧化二铁的中值粒径Dso小于0.7微米且D95小于5.0微米。4、根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述锂源为氢氧化锂、一水合氢氧化锂、碳酸锂、磷酸锂、十二水合磷酸锂、草酸锂和醋酸锂中的一种或几种。5、根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述碳源为蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖和麦芽糖中的一种或几种。6、根据权利要求1所述的方法，其中，所述干燥的方法为烘干；所述烘干温度为80-160°C，烘干时间为5-40小时。7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述烘干温度为100-120°C，烘干时间为8-24小时。8、根据权利要求1所述的方法，其中，所述烧结在惰性气体气氛下进行，烧结温度为600-800°C，烧结时间为5-18小时。9、根据权利要求8所述的方法，其中，所述烧结温度为680-750。C，烧结时间为8-15小时。全文摘要一种锂离子二次电池正极活性物质磷酸亚铁锂的制备方法，该方法包括将锂源、铁源、磷源和碳源在水中混合后干燥、烧结，其中，所述铁源为三氧化二铁，所述磷源为磷酸。采用该方法得到的磷酸亚铁锂的晶体粒度较小、粒度分布均匀、生产成本较低并且由该磷酸亚铁锂制得的电池的首次放电比容量高、循环性能好。文档编号H01M4/48GK101378125SQ200710147590公开日2009年3月4日申请日期2007年8月28日优先权日2007年8月28日发明者徐茶清,贾文雯,陈小勇申请人:比亚迪股份有限公司