一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法技术领域
一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，涉及一种采用溶液喷雾干燥-焙烧法制取锂离子二次电池正极活性材料磷酸铁锂的方法。
背景技术
新能源研究开发是人类社会可持续发展的重要基础，随着人类社会的发展，人们对高效、环保、经济的新能源需求愈来愈强烈。多数新能源（如太阳能、风能等）由于存在间隙性，需要配备大规模储能电池。电动汽车需要大功率动力电池。这些需要强烈推动开发高能量密度、高安全、环保和价格低廉的动力电池。要开发满足以上条件的动力电池，其正极材料是关键。多年来的研究结果使目前国际上普遍认为LiFePO4是高能动力电池的最佳新型正极材料。它主要具有以下4大优势:
⑴具有超长寿命，可达到2000次冲放电循环。
⑵使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，经严格的安全测试，磷酸铁锂即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。
⑶可大电流2C快速充放电，使用效率高。1.5C充电40分钟内即可使电池充满，起动电流可达2C，优于铅酸电池。
⑷耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达350～500℃，而锰酸锂和钴酸锂仅有200℃左右。
此外，还具有大容量，无记忆效应，绿色环保等显著优势。
因此全球很多企业在新能源技术领域展开了一场激烈竞赛。在这场角逐中，针对磷酸铁锂(LiFePO4)电池的发明专利相当多，目前已经公开的关于磷酸铁锂电池专利申请数量达到二百多件。这些专利主要针对磷酸铁锂存在的关键问题——电导率很低(纯磷酸铁锂晶体的电导率约为10－8s/cm)，导致电池内阻很大，不能大电流充、放电，对于生产汽车动力所需大功率电池极为不利的缺点，主要集中于通过两条途径来克服：一条是通过导电碳包覆、离子掺杂等方式来改善 LIFePO4 的电子导电性和离子导电性，另一条是设法减小材料粒径，以缩短锂离子在 LIFePO4晶粒中的扩散路径，改善材料的电化学性能。
目前制备磷酸铁锂普遍采用高温固相法，其特点是将草酸亚铁或乙酸亚铁或其它含铁化合物，与锂源、磷源、添加剂等混合，然后在还原气氛中或碳热还原法经过高温长时间（通常长达20～50小时）锻烧获得产品。这种方法合成的磷酸铁锂的晶粒较大，平均晶粒一般在2μm以上，材料的电化学性能不太好，不适宜做大功率二次电池。
水热法可以制备纳米级的电子－离子导电性高的磷酸铁锂正极材料，如申请号为 200710058352 . 2 的发明专利“一种理离子电池正极材料磷酸铁锂的水热合成法”中，公开了一种制备磷酸铁锂的水热方法，该方法是将锂源、铁源、磷源以摩尔比 3 : 1 : 1 混合，然后水热合成。产物为片状颗粒组成的团聚体。该方法的缺点是锂源大量过量，造成很大浪费，且必须使用昂贵且不稳定的亚铁离子 Fe2＋为铁源，增加了生产成本。申请号为200910060604.4的发明专利也涉及水热法制备磷酸铁锂材料。总的来说，水热法要使用耐高温高压的反应器，且最终产物常有杂相伴生，制备过程较难控制，难以实现规模化生产。
溶胶凝胶法也能制备电化学性能很好的磷酸铁锂正极材料，如CN200710055033.6、CN200710172797.3等专利都采用了该法制备磷酸铁锂电极材料。但通常溶胶凝胶法的前驱体合成周期较长、干燥收缩大、很难用于工业化生产。有些专利中还采用金属醇盐作原料，但金属醇盐通常价格高，且其溶剂有较强毒性，对环境会产生不利影响。
也有采用其他方法合成磷酸铁锂正极材料的，如CN 101339995A将固态原料球磨后制浆，通过喷雾干燥设备制成类球形粉体，再滚压造粒、预烧，然后进行碳包覆，之后造粒，在氮气保护下用 650～800 ℃ 的恒温烧结 10 士 2h而成。但其实质仍然属于固相法范畴，其产品达性能很难达到大功率动力电池的要求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种产品成分可控、均匀、晶粒细小、性能好，可以批量生产的锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于其制备过程是以可溶性铁盐、锂盐、磷酸和选择性加入的掺杂金属源、碳源前驱物为原料，将原料制成混合溶液，将混合溶液进行喷雾干燥成粉末，再在保护气氛条件下焙烧，制得锂电池正极活性材料磷酸铁锂。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于其制备过程锂源、铁源及磷源按照摩尔比 1~1.2 :1 : 1配制成溶液，控制溶液中金属离子总浓度在0.5～2mol/L。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述的原料锂盐是碳酸锂、氢氧化锂、乙酸锂、氧化锂、硝酸锂等中的一种或几种的混合。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述的原料铁盐是氯化铁、硝酸铁，或用盐酸、硝酸溶解的草酸亚铁、氧化亚铁的一种或几种。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述原料磷酸是化学纯的正磷酸。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述的原料金属掺杂剂是碳酸锌、硝酸锌、醋酸锌、碳酸镁、硝酸镁、醋酸镁、硝酸铝、醋酸铝、钒酸铵、钼酸铵、钨酸铵中的一种或几种；其添加量为主体成分磷酸铁锂重量的0.1％～10％。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述原料碳源是柠檬酸、尿素、葡聚糖、水溶性淀粉、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙二醇等水溶性高分子化合物中的一种或几种，其添加物总量为主体成分磷酸铁锂重量的2％～15％。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述的将混合溶液进行喷雾干燥成粉末过程是在90～350℃温度下进行的。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述的保护气氛是纯氮气，纯氩气或者含氢5%～20%的氮气、氩气。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其特征在于所述的焙烧条件是在400～750℃温度下保温3～12小时。
本发明的一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，采用可溶性锂盐、铁盐、磷酸以及必要的或可选的含碳添加剂、可选的金属掺杂剂制成溶液，然后在90～350℃温度下喷雾干燥成粉末，在保护气氛中于400～750℃的温度下焙烧3～12小时，即可获得成分可控、均匀、晶粒细小的高性能磷酸铁锂粉末，其磷酸铁锂颗粒是由30～50纳米晶粒聚积而成的平均粒径为 0.5~ 1.5 微米的粉末，同时由于其颗粒中形成空间网络的导电碳层或晶粒内掺杂有改性金属离子，其导电性大幅度提高，可作为优质的二次锂电池正极材料。
附图说明
图1为部分实施例制备的磷酸铁锂粉末的XRD结果；
图2为对照组制备的磷酸铁锂粉末的XRD结果；
图3为实验电池在1C条件充放电容量测试结果。
具体实施方式
一种锂电池正极活性材料磷酸铁锂的制备方法，其制备过程的步骤包括：
1、将锂源、铁源及磷源按照摩尔比 1~1.2 :1 : 1配制成溶液，控制溶液中金属离子总浓度在0.5～2mol/L。
2、将此溶液在90～350℃温度下将此溶液进行喷雾干燥成粉末。
3、将得到的粉末在保护气氛中于400～750℃的温度下焙烧3～12小时。
4、在同样的气氛中快速冷却至室温，即可获得纯橄榄石型磷酸铁锂或金属离子掺杂的磷酸铁锂或这两者之一与碳复合的粉末材料，这些材料可用作大功率二次锂电池的正极活性材料。
以上所述的锂源可为碳酸锂、氢氧化锂、乙酸锂、氧化锂、硝酸锂等锂盐中的一种或一种以上；所述铁源为氯化铁、草酸亚铁、醋酸亚铁、硝酸铁、氧化亚铁等含铁化合物中的一种或一种以上；所述磷源是正磷酸；以上所述的碳源为柠檬酸、尿素、蔗糖、葡萄糖、葡聚糖、水溶性淀粉、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙二醇等水溶性高分子材料中的一种或一种以上。以上所述金属离子掺杂剂为碳酸锌、硝酸锌、醋酸锌、碳酸镁、硝酸镁、醋酸镁、硝酸铝、醋酸铝、钒酸铵、钼酸铵、钨酸铵等中的一种或几种。
本发明涉及的溶液-喷雾干燥-焙烧法制备二次锂电池正极活性材料磷酸铁锂的方法，通过液相混合原料，使其达到离子、分子级的混合，比固相法均匀程度高得多，因而整个反应可以在很短的时间内完成，有利于控制反应产物的粒度。另一方面，掺杂元素和有机碳源可以在湿法混合阶段加入，使掺杂物和碳源前躯体能够有效地均匀分散在基体中，充分发挥其作用。均匀分布在原料中的有机碳源前躯体在随后的自蔓延燃烧过程中发生碳化，形成均匀分布且与磷酸铁锂材料紧密结合，具有空间网络的导电碳薄膜层，得到磷酸铁锂/碳复合材料。这比在合成磷酸铁锂材料后再用炭黑、石墨等直接碳源粘合而成的磷酸铁锂/碳复合材料优越得多。
本发明的特征在于合成磷酸铁锂的各种原料以及添加助剂均在液态下进行混合，然后通过雾化形成极小的液滴，随即在瞬间干燥成粉末。由于干燥时间非常短，各组分的偏析过程几乎没有进行，因此，在此粉末中，各种反应物质的分布非常接近其在液态时的状态，非常接近于均匀分布。这一特点与通常的溶胶凝胶方法在液相混合原料方面具有相似的优点。但本发明的方法不需要将原料制成溶胶，可以省去制溶胶所需的大量络合剂，大大节约原料成本。同时所需时间仅为普通溶胶凝胶法的二十分之一到十分之一，大大缩短生产时间，提高生产效率。
以下是本发明的一些实施例，用来说明本发明的具体实施过程。但本发明不限于这些实施例。
实施例1
锂离子电池正极材料 LIFePO4的制备方法
1、Fe(NO3)3.9H2O 82.45 g（分析纯，含量≥98.5），Li2CO3 7.46g（分析纯，含量≥99），H3PO4 23.06g（分析纯，含量≥85）（Li:Fe:P=1：1：1），用500g电子天平（精度0.01g）称好后放入500ml玻璃烧杯中，加入去离子水200ml ,搅拌至完全溶解。
2、喷雾干燥机预热到出口温度100℃。
3、将上述配置好的溶液加入喷头，进行雾化干燥。得到38g淡黄色粉末。
4、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，然后通入含氢5%的氮气，20分钟后通电升温，温度升至400℃后保温12小时。
5、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入含氢5%的氮气）。
6、取出物料研碎即得磷酸铁锂粉末。其X-射线衍射图谱见图1。
实施例2
锂离子电池正极材料 LIFePO4/C复合粉末的制备方法
1、Fe(NO3)3.9H2O 164.9 g，Li2CO3 15.66g，H3PO4 23.06g（Li:Fe:P=1.05：1:1），用500g电子天平（精度0.01g）称好后放入500ml玻璃烧杯中，加入去离子水400ml ,搅拌至完全溶解。
2、加入预先溶解好的聚乙二醇6000 5g，搅拌均匀。
3、喷雾干燥机预热到出口温度120℃，将上述配置好的溶液加入喷头，进行雾化干燥。得到82g淡泥黄色粉末。
4、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，然后通入含氢5%的氮气，20分钟后通电升温，温度升至600℃后保温9小时。
5、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入含氢5%的氮气）。
6、取出物料研碎即得磷酸铁锂粉末。其X-射线衍射图谱见图1。
实施例3
锂离子电池正极材料 LIFePO4/C复合粉末的制备方法
1、Fe(NO3)3.9H2O 164.9 g，LiOH 11.07g，H3PO4 46.35g（Li:Fe:P=1.15:1:1）
用500g电子天平（精度0.01g）称好后放入500ml玻璃烧杯中，加入去离子水400ml ,搅拌至完全溶解。
2、另外加入预先溶解好的水溶性淀粉6g。搅拌均匀。
3、喷雾干燥机预热到出口温度130℃，将上述配制好的溶液加入喷头，进行雾化干燥。得到83g淡泥黄色粉末。
4、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，然后通入含氢10%的氮气，20分钟后通电升温，温度升至650℃后保温6小时。
5、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入含氢10%的氮气）。
6、取出物料研碎即得磷酸铁锂粉末。其X-射线衍射图谱见图1。
实施例4
锂离子电池正极材料 LIFePO4/C复合粉末的制备方法
1、Fe(NO3)3.9H2O 164.9 g，LiOH 11.67g，H3PO4 46.35g（Li:Fe:P=1.2:1:1） 用500g电子天平（精度0.01g）称好后放入500ml玻璃烧杯中，加入去离子水400ml ,搅拌至完全溶解。
2、加入聚丙烯酰胺固体3.5g。搅拌至完全溶解。
3、喷雾干燥机预热到出口温度150℃，将上述配制好的溶液加入喷头，进行雾化干燥。得到81g泥黄色粉末。
4、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，然后通入含氢20%的氩气，20分钟后通电升温，温度升至750℃后保温3小时。
5、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入含氢20%的氩气）。
6、取出物料研碎即得磷酸铁锂粉末。其X-射线衍射图谱见图1。
实施例5
锂离子电池正极材料 Al3+掺杂LIFePO4/C复合粉末的制备方法
1、FeCl3·6H2O , 110.27 g,
Li2CO3 14.04g
Al (C2 H3 O2)3 1.5g
H3PO4 46.12g
用500g电子天平（精度0.01g）称好后放入500ml玻璃烧杯中，加入去离子水400ml ,搅拌至完全溶解。
2、再加入预先溶解好的甲基纤维素5g。
3、喷雾干燥机预热到出口温度150℃，将上述配制好的溶液加入喷头，进行雾化干燥。得到81g泥黄色粉末。
4、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，然后通入含氢20%的氮气，20分钟后通电升温，温度升至750℃后保温3小时。
5、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入含氢20%的氮气）。
6、取出研碎即得三价金属离子Cr3+掺杂的磷酸铁锂/C复合粉末。
实施例6
锂离子电池正极材料 钼掺杂LIFePO4/C复合粉末的制备方法
1、Fe(NO3)3.9H2O , 164.92 g,
Li2CO3 14.04g
（NH4）6Mo7O24·4H2O 3.7 g
H3PO4 46.12g
用500g电子天平（精度0.01g）称好后放入500ml玻璃烧杯中，加入去离子水400ml ,搅拌至完全溶解。
2、加入聚丙烯酰胺固体5g搅拌至完全溶解。
3、喷雾干燥机预热到出口温度230℃，将上述配制好的溶液加入喷头，进行雾化干燥。得到82g淡泥黄色粉末。
4、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，然后通入含氢10%的氮气，20分钟后通电升温，温度升至750℃后保温3小时。
5、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入含氢10%的氮气）。
6、取出研碎即得钼掺杂的磷酸铁锂/C复合粉末，其X-射线衍射图谱见图1。
对照例1
1、Fe(NO3)3.9H2O 164.92 g，Li2CO3 14.92g，H3PO4 46.12g
用500g电子天平（精度0.01g）称好后放入500ml玻璃烧杯中，加入去离子水400ml ,搅拌至完全溶解。
2、喷雾干燥机预热到出口温度130℃，将上述配制好的溶液加入喷头，进行雾化干燥。得到80g淡黄色粉末。
3、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，然后通入纯氮气，20分钟后通电升温，温度升至500℃后保温20小时。
4、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入纯氮气）。
5、取出物料研碎即得磷酸铁锂粉末。其X-射线衍射图谱见图2。从图2中可以看到产物中含有橄榄石型磷酸铁锂LiFePO4，但还含有Li3Fe2(PO4)3,等杂相，不宜作为锂电池正极活性材料。
对照例2
1、2步与对照例一相同。
3、将上述粉末装入陶瓷坩埚，放入管式电阻炉中，含氢10%的氮气，20分钟后通电升温，温度升至750℃后保温10小时。
4、保温结束后，在其中冷却至室温（整个过程都保持通入含氢10%的氮气）。
5、取出物料研碎即得对照例二样品粉末。从其X-射线衍射图谱上看不出与实施例有显著差异，但其充放电容量低于实施例（见图3），不宜作为锂电池正极活性材料。
以锂片为负极，将上述实施例二和四以及对照例二制备的粉末封装成实验电池后，在1C进行充放电容量测试，结果如图3所示。