CN103066293A - 锂离子电池正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池材料的制备方法，所述锂离子电池材料的制备方法包括：将锂铁磷电池起始原料加水混合后，置入搅拌加热反应装置，进行加热搅拌反应，边搅拌边加热，使起始原料通过搅拌加热反应溶解并溶合成矿物浆料，待反应完成后，再加入水性有机原料，先搅拌均匀后提升温度，使其反应至溶合完成，并持续以边搅拌边加热的方式去除水分，使浆料由稀变浓的干燥，通过边干燥边搅拌加速水分的去除，并通过搅拌将块料状搅成细块料，至干燥完成，然后取出细块料，置入低氧含量的窑炉中，经高温烧结反应制成含有导电碳的磷酸亚铁锂电池的正极材料。本发明由于所制成的磷酸亚铁锂电池正极材料具有导电碳，故具有较佳的导电性及蓄电能力。

Description

锂离子电池正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，属于二次电池材料技术领域。
背景技术
由于3C产品市场的蓬勃发展，作为其电源的二次电池需求量日益增加。已知的二次电池中，当以锂离子二次电池具有高体积比电容、无污染及循环充放特性良好等优点，较能符合现代3C电子产品轻薄短小的要求，且已大量运用。然而，近年多起震撼业界的锂电池安全与大规模锂电池回收事件，以及全球暖化与石油价格暴涨突破100美元具有对电动车辆的发展产生的重大影响，强调高安全性的磷酸锂铁电池自然会成为注目的焦点。
磷酸锂铁（分子式：LiMPO4，英文：Lithium iron phosphate，又称磷酸铁锂、锂铁磷），是一种锂离子电池的正极材料，也称为锂铁磷电池，特点是不含钴等贵重元素，原料价格低，且存在于地球上的磷、锂、铁资源含量丰富，不会有供料问题。其工作电压适中（3.2V）、电容量大（170mAh/g）、高放电功率、可快速充电且循环寿命长，在高温与高热环境下的稳定性高。自1996年日本的 NTT 首次揭示AyMPO4（A为碱金属，M 为 Co、 Fe 两者的组合：LiFeCoPO4）的橄榄石结构的锂电池正极材料之后，1997年美国得克萨斯州立大学 John. B. Goodenough 等研究群，也接着报导了 LiFePO4 的可逆性地迁入脱出锂的特性，美国与日本不约而同地发表橄榄石结构（LiMPO4）的文章，使得该材料受到了极大的重视，并引起广泛的研究和迅速的发展。与传统的锂离子二次电池正极材料，尖晶石结构的 LiMn2O4和层状结构的 LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。LiFePO4 正确的化学式应该是 LiMPO4，物理结构则为橄榄石结构，而其中的 M 可以是任何金属，包括 Fe、Co、Mn、Ti等，由于最早将 LiMPO4 商业化的公司所制造的材料是 C/LiFePO4，因此大家就这么习惯地把 Lithium iron phosphate 其中的一种材料 LiFePO4 当成是磷酸铁锂。然而从橄榄石结构的化合物而言，可以用在锂离子电池的正极材料并非只有 LiMPO4 一种；据目前所知，与 LiMPO4都为橄榄石结构的 Lithium iron phosphate 正极材料还有 AyMPO4、Li1-xMFePO4、LiFePO4?MO 等三种与 LiMPO4 不同的橄榄石化合物。
LiFePO4材料在锂电池领域被重视，根本原因其实仍是LiFePO4安全的橄榄石结构，这样的结构有别于其它锂电池的层状与尖晶石结构的锂钴或锂锰系列的正极材料；橄榄石结构的LiFePO4，由于其结构与氧（O2） 结合的键很强，因此在锂电池发生短路时，不会因为短路而产生爆炸。目前作为正极材料的橄榄石结构的LiFePO4都为人工合成，已知橄榄石结构LiFePO4的合成方法是以为三价铁或两价铁的化合物作为合成原料，例如，硫酸铁、硝酸铁、醋酸铁等；因两价铁的化合物价格较高，多以还原法将三价铁还原成两价铁的方式进行。这种已知合成方法合成的橄榄石结构的LiFePO4正极材料均为单相的材料，其材料特性常常需要较高温、较长时间，让前趋物中的离子相互扩散而生成橄榄石结构的LiFePO4，但也使得制得的粉末成长为较大粒径的粉末(50μm)。因橄榄石结构的LiFePO4正极材料的导电性不佳，加以粉末颗粒太大，导致导电度较差。第513823号中国台湾专利揭示了阴极活性材料的制备方法及非水性电解质的制备方法(公告日为2002年12月11日)，其在制备过程中添加碳源，或在粉末表面披覆碳粉，以使粉末的表面电子导电性提升。第1649188号中国专利揭示了一种金属Ni，Cu包覆 LiFePO4粉体的制备方法(公告日为2005年08月03日)，其制备的多晶 LiFePO4粉体被金属Ni和Cu包覆，经后续处理后材料具有较大的电子导电能力。然而，一般传统的固态反应法易有其它结晶相生成、晶型不规则、颗粒大且粒径大小分布范围广、结构不稳定和热处理时间过长等缺点。至于湿式化学制备方法，虽然可以较低的热处理温度即可得到细微的氧化物粉末，但在合成时需要繁杂的步骤来合成其前驱物，后续又必须对前驱物进行煅烧，其制备过程复杂且费时，而且也无法确保产物为单一结晶相的均质材料，往往会有难以预测的副产物产生。而喷雾干燥法虽被广泛地用来制造质地细致的陶瓷粉末，其颗粒为几微米(μm)至几十微米的空心粉粒，但此种粉粒粒径过大，且其空心结构会影响电池特性，并不适合作为锂离子二次电池的正极材料，而类如以喷雾或喷雾燃烧方式制备锂离子二次电池正极材料的方法，在喷雾干燥时，干燥的粉体会再与反应挥发后的气态物质再接触而受到污染，如此将使制备的粉体含有杂质而不纯净，严重影响产品质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂离子电池正极材料的制备方法。
为了达成上述目的，本发明提供一种锂离子电池正极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1) 原料准备：准备磷源、锂源及铁源的锂铁磷电池起始原料及水；
(2) 搅拌加热反应：将磷源、锂源及铁源的锂铁磷电池起始原料加水混合后，置入搅拌加热反应装置，进行加热搅拌反应，边搅拌边加热至60~120℃，使所述起始原料通过搅拌加热反应溶解并溶合成矿物浆料； 
(3) 加热反应溶合：将搅拌加热反应溶合完成的矿物浆料加入水性有机原料，搅拌均匀后提升温度至60~150℃，使其反应至溶合完成；
(4) 加热搅拌干燥：持续以边搅拌边加热的方式去除水分，使浆料由稀变浓，通过边干燥边搅拌加速水分的去除，并通过搅拌将块状料搅成细块料，至干燥完成，其中加热温度为100~200℃；
(5) 气氛烧结反应：取出干燥完成的细块料，置入低氧含量的气氛炉中，经高温烧结反应，制成含有导电碳的磷酸亚铁锂电池的正极材料。
作为优选方案，其中所述磷源的锂铁磷电池起始原料为磷酸、金属磷酸盐、磷酸氢盐或磷酸二氢盐。
作为优选方案，其中所述锂源的锂铁磷电池起始原料为碳酸锂、氢氧化锂、磷酸一氢锂或磷酸二氢锂。
作为优选方案，其中所述铁源的锂铁磷电池起始原料为铁粉、三氧化二铁、二氯化铁、草酸亚铁硝酸铁、硫酸亚铁或铁的有机盐。
作为优选方案，其中所述锂源、铁源、磷源的锂铁磷电池起始原料按重量百分比计的配比为1.2：1：1，且水为锂铁磷源起始原料总量的5~10倍。
作为优选方案，其中步骤(2)中所述搅拌加热反应添加有水性有机原料。
作为优选方案，其中步骤(2)中所述搅拌加热反应装置为具备搅拌器及加热器的装置。
作为优选方案，其中步骤(4)中所述加热搅拌干燥完成后的水分残留量为5~10％。
作为优选方案，其中步骤(5)中所述气氛炉的氧含量低于100PPM，所述高温烧结反应的温度为600~1050℃。
作为优选方案，其中所述水性有机原料为糊精、糖类、水性高分子有机物或碳水化合物。
本发明具有以下有益效果：
本发明所提供的制备方法，由于所制成的磷酸亚铁锂电池正极材料具有导电碳，故具有较佳的导电性及蓄电能力；
本发明所提供的制备方法，由于从材料的溶合反应以及干燥均在一搅拌加热反应装置内完成，故具有简化制程及避免材料受外部环境污染的功效；
本发明所提供制备方法，使用水取代化学助剂(分散剂)，为环保作法，可避免环境受到污染。
具体实施方式
为达成本发明上述各项目的以及功效，下面将结合实施例说明如后，以使得本领域的普通技术人员根据以下所述能够实施本本发明。
本发明的制备方法如下：
(1) 原料准备：准备磷源、锂源及铁源的锂铁磷电池起始原料及水；
所述磷源的锂铁磷电池起始原料为：磷酸(phosphate Acid)、金属磷酸盐、磷酸氢盐(Hydrogen phosphate，HPO4 2-)或磷酸二氢盐(Dihydrogen phosphate，H2PO4 -)类等择其一。
所述锂源的锂铁磷电池起始原料为：碳酸锂(Lithium Carbonate，Li2CO3)、氢氧化锂(Lithium Hydroxide,LiOH)、磷酸一氢锂(Lithium hydrogen phosphate，Li2HPO4)或磷酸二氢锂(Lithium Dihydrogen phosphate，LiH2PO4)等择其一。
所述铁源的锂铁磷电池起始原料为：铁粉、三氧化二铁(Ferric Oxide,Fe2O3)、二氯化铁(Ferrous Chloride，FeC12)、草酸亚铁(Ferrous Oxalate，FeC2O4)硝酸铁(Ferric Nitrate，FeNO3)、硫酸亚铁(Ferrous Sulfide，FeSO4)或铁的有机盐等择其一。
其中，所述锂源、铁源、磷源的锂铁磷电池起始原料的配比约为1.2：1：1(重量百分比)，水约为锂铁磷源起始原料总量的5~10倍。
(2) 搅拌加热反应：将磷源、锂源及铁源的锂铁磷电池起始原料及水混合（也可加入水性有机原料），置入搅拌加热反应装置，进行加热搅拌反应，边搅拌边加热，使该起始原料通过搅拌加热反应溶解并溶合成矿物浆料；
其中，所述水性有机原料为：糊精、糖类、水性高分子有机物质或碳水化合物等。
所述搅拌加热反应装置为具备搅拌器及加热器的装置，该制程约需2~5小时，加热温度约为60~120℃。
(3) 加热反应溶合：将上述搅拌加热反应溶合完成的矿物浆料加入水性有机原料中，搅拌均匀后提升温度，使其反应至溶合完成；
其中，所述水性有机原料为：糊精、糖类、水性高分子有机物或碳水化合物等。
该制程约需1~3小时，加热温度约为60~150℃。
(4) 加热搅拌干燥：持续以边搅拌边加热的方式去除水分，使浆料由稀变浓，通过边干燥边搅拌加速水分的去除，并通过搅拌将块状料搅成细块料，至干燥完成(例如，水分残留量约为5~10％)；
该制程约需2-5小时，加热温度约为100~200℃。
(5) 气氛烧结反应：取出干燥完成的细块料，置入气氛炉中(如氧含量低于100PPM的气氛环境)，经600~1050℃的高温烧结反应，制成含有导电碳的磷酸亚铁锂电池的正极材料。
本发明具有以下有益效果：
本发明所提供的制备方法，由于所制成的磷酸亚铁锂电池正极材料具有导电碳，故具有较佳的导电性及蓄电能力；
本发明所提供的制备方法，由于从材料的溶合反应以及干燥均在一搅拌加热反应装置内完成，故具有简化制备过程及避免材料受外部环境污染的功效；
本发明所提供制备方法，使用水取代化学助剂(分散剂)，为环保作法，可避免环境受到污染。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以制本发明的范围，故举凡本领域的普通技术人员运用本发明说明书及权利要求书所作的等效变化，理应包括于本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1) 原料准备：准备磷源、锂源及铁源的锂铁磷电池起始原料及水；
(2) 搅拌加热反应：将磷源、锂源及铁源的锂铁磷电池起始原料加水混合后，置入搅拌加热反应装置，进行加热搅拌反应，边搅拌边加热至60~120℃，使所述起始原料通过搅拌加热反应溶解并溶合成矿物浆料； 
(3) 加热反应溶合：将搅拌加热反应溶合完成的矿物浆料加入水性有机原料，搅拌均匀后提升温度至60~150℃，使其反应至溶合完成； 
(4) 加热搅拌干燥：持续以边搅拌边加热的方式去除水分，使浆料由稀变浓，通过边干燥边搅拌加速水分的去除，并通过搅拌将块状料搅成细块料，至干燥完成，其中加热温度为100~200℃； 
(5) 气氛烧结反应：取出干燥完成的细块料，置入低氧含量的气氛炉中，经高温烧结反应，制成含有导电碳的磷酸亚铁锂电池的正极材料。
2.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述磷源的锂铁磷电池起始原料为磷酸、金属磷酸盐、磷酸氢盐或磷酸二氢盐。
3.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源的锂铁磷电池起始原料为碳酸锂、氢氧化锂、磷酸一氢锂或磷酸二氢锂。
4.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述铁源的锂铁磷电池起始原料为铁粉、三氧化二铁、二氯化铁、草酸亚铁硝酸铁、硫酸亚铁或铁的有机盐。
5.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源、铁源、磷源的锂铁磷电池起始原料按重量百分比计的配比为1.2：1：1，且水为锂铁磷源起始原料总量的5~10倍。
6.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述搅拌加热反应添加有水性有机原料。
7.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2) 中所述搅拌加热反应装置为具备搅拌器及加热器的装置。
8.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(4) 中所述加热搅拌干燥完成后的水分残留量为5~10％。
9.如权利要求1所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(5) 中所述气氛炉的氧含量低于100PPM，所述高温烧结反应的温度为600~1050℃。
10.如权利要求1或6所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述水性有机原料为糊精、糖类、水性高分子有机物或碳水化合物。
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