一种磷酸铁锂材料、及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种磷酸铁锂材料、及其制备方法和用途，所述制备方法包括如下步骤：(1)将锂源、铁源、磷源、模板剂和螯合剂分散于水中，制得原料混合溶液，所述模板剂在水中能产生气泡；(2)将所述原料混合溶液在预定压力下进行水热反应，得到预产物。本发明专利技术在原料混合溶液中加入模板剂和螯合剂，所述模板剂在水中能够产生气泡，形成液泡膜，进而促使原料混合溶液中的磷酸铁锂晶体沿着液泡膜之间的间隙定向生长，制得形似三维花状结构的产物，所述螯合剂可以在预定压力下使液泡膜稳定存在于反应体系中，通过调节体系压力来控制液泡膜的大小，进而可以稳定控制磷酸铁锂的孔径及形貌。

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸铁锂材料、及其制备方法和用途
本专利技术属于电池材料制备领域，具体涉及一种磷酸铁锂材料、及其制备方法和用途。
技术介绍
随着人类社会的不断发展，环境问题日益凸显，伴随着国家新能源战略的兴起，锂离子电池作为一种清洁能源，因体积小、能量密度高及安全环保等优势，从上世纪90年代初发展至今，已经得到了广泛的应用。目前常见的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂，磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料具有原料来源广、价格低廉、材料热稳定性好、电压平台高、循环寿命长、无毒无害和安全性高等优势，使其从众多正极材料中脱颖而出，成为目前动力形和储能形锂离子电池正极材料的首选。然而磷酸铁锂本身存在电子电导率低和锂离子扩散系数小等缺陷，影响其大电流充放电性能，限制了其大规模应用。CN105789620A公开了一种磷酸铁锂正极材料的制备方法及磷酸铁锂正极材料。所述制备方法为采用固相合成法制备磷酸铁锂，固相合成法包括球磨混合和高温煅烧，在煅烧时的惰性气氛中通入乙炔，在生成的磷酸铁锂颗粒内部和磷酸铁锂颗粒之间形成碳纳米管，获得高导电性的磷酸铁锂正极材料。所述制备方法得到的磷酸铁锂正极材料性能较好，但其工艺复杂，不能工业化生产。CN101580238B公开了一种复合磷酸铁锂材料的制造方法，所述制造方法包括：将磷酸铁锂材料与纯净水按重量比例1:5～15配制成悬浊液，用5～30％浓度的磷酸将悬浊液的pH值缓慢调节到1～3，加入分析纯的可溶氯化盐，加入量为磷酸铁锂材料摩尔数的0.05～2％；然后在溶液中加入氨水，将溶液的pH值调节到5～6，生成氢氧化物胶体；将液体经喷雾干燥制成粉体，在惰性气氛下300～450℃煅烧3～6h；由氢氧化物胶体热分解得到的高电导率氧化物包覆在磷酸铁锂材料晶粒表面；煅烧的物料经球磨、过筛成为成品。所述制备方法得到的复合磷酸铁锂材料的振实密度较低。CN107565111A公开了一种磷酸铁锂的纳米化改性方法及其制备的纳米化改性磷酸铁锂和锂离子电池，所述改性方法包括：将磷酸铁锂原料和任选加入的碳源混合后进行球磨，得到纳米级粒径的磷酸铁锂，随后对纳米磷酸铁锂进行喷雾造粒，然后将喷雾造粒后得到的纳米磷酸铁锂进行焙烧制得纳米化改性磷酸铁锂。所述改性方法工艺复杂，不能工业化生产。因此，本领域需要开发出一种磷酸铁锂的制备方法，使制备得到的磷酸铁锂材料具有良好的电化学性能，且制备过程适于工业化生产。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种磷酸铁锂材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将锂源、铁源、磷源、模板剂和螯合剂分散于水中，制得原料混合溶液，所述模板剂在水中能产生气泡；(2)将所述原料混合溶液在预定压力下进行水热反应，得到预产物。本专利技术所述原料混合溶液中的模板剂在水中能够产生气泡，形成液泡膜，进而促使原料混合溶液中的磷酸铁锂晶体沿着液泡膜之间的间隙定向生长，由中心向外生长的磷酸铁锂晶体形似花瓣的片状结构，制得的产物形似三维球形花状结构，所述结构可使磷酸铁锂材料具有更多的缺陷和微孔，进而具有更好的电化学性能，所述磷酸铁锂的孔径范围为52nm～672nm，比表面积为5.5m2/g～12.5m2/g，极片压实密度为1.78～2.54g/cm3，首次放电比容量≥142.4mAh/g，第2000次循环放电比容量≥131.3mAh/g，2000次循环容量保持率≥92.2％。本专利技术所述原料混合溶液中的螯合剂可以在预定压力下使液泡膜稳定存在于反应体系中；若不加入螯合剂，在预定的压力下，气泡不稳定或破裂，进而导致产品形貌及性能稳定性较差。本专利技术通过调节体系压力来控制液泡膜的大小，进而可以稳定控制磷酸铁锂的孔径及形貌。本专利技术采用简单的水热法合成三维磷酸铁锂材料，具有能耗低、适用性广、步骤简单、容易控制、易于重复和放大等优点。优选地，本专利技术步骤(1)所述模板剂包括尿素和/或碳酸氢铵。优选地，所述螯合剂包括乙二胺四乙酸和/或乙酰丙酮。优选地，所述模板剂的含量为锂源、铁源和磷源总量的0.5wt％～2wt％，例如0.8wt％、1wt％、1.5wt％、1.8wt％等。模板剂的含量小于0.5wt％时，产生的气泡过少，向外生长的磷酸铁锂晶体较少，进而无法生成孔含量较多的花状结构；模板剂的含量大于2wt％时，产生的气泡过多，材料结构不稳定。优选地，所述螯合剂的含量为锂源、铁源和磷源总量的0.3wt％～1wt％，例如0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.8wt％等。螯合剂的含量小于0.3wt％时，反应体系的稳定性较差；螯合剂的含量大于1wt％时，溶液pH值过低不利于磷酸铁锂晶体的生长。优选地，本专利技术步骤(2)所述预定压力为1atm～35atm，优选20atm～35atm，例如5atm、8atm、10atm、15atm、18atm、20atm、25atm、28atm、30atm、32atm等。本专利技术通过调节体系压力来控制液泡膜的大小，若压力大于35atm，螯合剂的稳定性效果较差，气泡就会破裂或大小不稳定，进而导致产品形貌和性能不稳定，无法形成球形花状结构；若压力小于1atm，气泡难以堆积而外溢到体系外，进而导致产品不成球型，产品的形貌和性能稳定性较差，影响材料的电化学性能。本专利技术采用往反应釜中充入惰性气体或在反应过程中放出气体的方式调节体系压力。优选地，所述水热的温度为120～200℃，例如130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃等。优选地，所述水热的时间为3～7h，例如3.5h、4h、4.5h、5h、6h等。优选地，所述水热的气氛为惰性气氛，优选氮气气氛和/或氩气气氛。优选地，本专利技术步骤(1)所述原料混合溶液中，所述锂源中的锂元素、铁源中的铁元素、磷源中的磷元素和水的摩尔比为3:1:1:50～55，例如3:1:1:51、3:1:1:52、3:1:1:53、3:1:1:54等。本专利技术所述原料混合溶液中锂源、铁源、磷源和水的摩尔比值虽然为3:1:1:50～55，但是本领域技术人员可以根据需要对其进行上下浮动，例如锂源、铁源和磷源的比值上下浮动10％，对所述比值进行的上下浮动皆在本专利技术保护的范围内，示例性的为2.9:1.1:1:52、3.2:0.9:0.9:51、3.1:1:1.1:54、3.2:1.1:1.1:53。优选地，所述锂源为可溶性锂盐，优选碳酸锂和/或氢氧化锂。优选地，所述铁源为亚铁盐，优选草酸亚铁和/或硫酸亚铁。优选地，所述磷源为磷酸和/或磷酸盐，优选磷酸铵和/或磷酸。优选地，本专利技术步骤(2)之后进行步骤(3)：将所述预产物进行陈化，洗涤，过滤和干燥，制得磷酸铁锂材料。优选地，所述陈化的时间为3～7h，例如3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h等。优选地，所述过滤为真空抽滤。优选地，所述干燥的温度为60～100℃，优选8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：/n(1)将锂源、铁源、磷源、模板剂和螯合剂分散于水中，制得原料混合溶液，所述模板剂在水中能产生气泡；/n(2)将所述原料混合溶液在预定压力下进行水热反应，得到预产物。/n

【技术特征摘要】
1.一种磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将锂源、铁源、磷源、模板剂和螯合剂分散于水中，制得原料混合溶液，所述模板剂在水中能产生气泡；
(2)将所述原料混合溶液在预定压力下进行水热反应，得到预产物。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述模板剂包括尿素和/或碳酸氢铵；
优选地，所述螯合剂包括乙二胺四乙酸和/或乙酰丙酮；
优选地，所述模板剂的含量为锂源、铁源和磷源总量的0.5wt％～2wt％；
优选地，所述螯合剂的含量为锂源、铁源和磷源总量的0.3wt％～1wt％。


3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述预定压力为1atm～35atm，优选20atm～35atm；
优选地，所述水热的温度为120～200℃；
优选地，所述水热的时间为3～7h；
优选地，所述水热的气氛为惰性气氛，优选氮气气氛和/或氩气气氛。


4.如权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述原料混合溶液中，所述锂源中的锂元素、铁源中的铁元素、磷源中的磷元素和水的摩尔比为3:1:1:50～55；
优选地，所述锂源为可溶性锂盐，优选碳酸锂和/或氢氧化锂；
优选地，所述铁源为亚铁盐，优选草酸亚铁和/或硫酸亚铁；
优选地，所述磷源为磷酸和/或磷酸盐，优选磷酸铵和/或磷酸。


5.如权利要求1-4之一所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)之后进行步骤(3)：将所述预产物进行陈化，洗涤，过滤和干燥，制得磷酸铁锂材料；
优选地，所述陈化的时间为3～7h；
优选地，所述过滤为真空抽滤；
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【专利技术属性】
技术研发人员：危钰，王张健，吴小珍，杨顺毅，黄友元，
申请(专利权)人：深圳市贝特瑞纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44