本发明属于锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种纳米无水磷酸铁及其合成方法，采用自发电合成方法。
背景技术：
磷酸铁化合物应用广泛，比如：农业、陶资玻璃、钢铁、表面钝化和离子交换能力等。而高纯度的磷酸铁可以作为制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的前驱体，这样就大大提升了它的应用价值。
自1997年A.K.Padhi首次报道磷酸铁锂(LiFePO4)具有脱嵌理功能以来，其成为最具潜力的锂离子动力电池材料。磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料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；同时，该材料又具有无毒、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，是目前电池界竞相开发与研究的热点，可望成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。
虽然磷酸铁锂电池在上述许多方面具有优势，但其在大电流充放电性能、低温性能、体积比能量等方面仍存在不足之处，这些问题严重影响了电池的能量密度、功率密度等性能、也影响了电池的使用、操作性能，材料一致性问题导致的电池制造成本太高也不利于电池组的大规模推广应用。因此，必须从根本上解决材料存在的瓶颈问题，即从材料合成工艺、改性处理等方面提升磷酸铁锂材料的本征性能，目前己有研究表明，作为合成LiFePO4的主要原材料磷酸铁，其结构、形貌和粒度会直接影响产物LiFePO4的结构和性能。
无水磷酸铁，分子式为FePO4，现有的磷酸铁制备方法主要为：(1)高温焙烧法，在550-700℃将碱式磷酸铁铵直接灼烧制得磷酸铁，用高温焙烧法制备磷酸铁优点是工艺简单方便，容易操作，缺点是合成的周期较长，能耗较高且需用价格较高的碱式磷酸铁铵作原料，导致生产成本较高；(2)液相沉淀法，将铁源与磷源加入到反应釜中进行反应，通过调节体系的PH值，使体系产生磷酸铁固体沉淀，然后再通过一系列的洗涤、过滤、烘干、粉碎等程序得到最终磷酸铁产品。液相沉淀法生产出的磷酸铁成分均匀，颗粒较细，但是由于沉淀不易洗涤使得产物杂质含量比较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种纳米无水磷酸铁，铁纯度高，制备的磷酸铁锂做正极的锂离子电池能够提高电池的充放电性能，从而提高了已有锂离子电池的充放电容量。
本发明的另一目的在于提供一种纳米无水磷酸铁的合成方法，采用自发电合成方法，绿色无污染，成本低。
本发明提供的一种纳米无水磷酸铁的合成方法，包括以下步骤：
1)、以纯铁作为阳极，以惰性电极或不锈钢为阴极，以磷酸水溶液为电解液，不通电，自发电解生成的亚铁离子与磷酸根离子结合；
2)、在上述体系中通入氧化剂，继续反应后，再陈化，洗涤后，喷雾干燥得到二水磷酸铁；
3)、步骤2)得到的二水磷酸铁焙烧，得到纳米无水磷酸铁粉末。
进一步的，步骤1)中的所述纯铁包括纯铁盘、纯铁棒、或纯铁丝；
步骤1)中所述的磷酸水溶液中磷酸的质量百分比浓度45-65％。
进一步的，步骤1)中所述惰性电极为铅电极、碳棒或铂电极；
步骤1)中自发电解时，体系温度为10-80℃，PH值为0.5-2；自发电解时间5-15h。
步骤2)中所述氧化剂为空气或氧气。
步骤2)中所述继续反应时间为0.2-2h，温度10-50℃；
步骤2)中所述陈化时间为2-8h，温度为10-50℃；
步骤2)中所述喷雾干燥的温度为100-150℃。
步骤3)中所述焙烧是指在500-700℃焙烧30-180分钟；
本发明提供的一种纳米无水磷酸铁，采用上述方法制备得到。
本发明采用自发电合成方法，是指反应器可同时获得目标产物和电能。自发电合成方法不仅不需要外加电能相反可对外提供电能，是一种节约能源清洁且有效的绿色电合成新方法。
与现有技术相比，本发明采用自发电合成方法，是一种全新的制备磷酸铁的方法，铁作为牺牲阳极和惰性阴极形成原电池，阳极不断溶解，二价铁离子数量不断增加，同时自发提供电能，进行自发电解，再通入氧气或空气下形成磷酸铁沉淀，是一种“绿色”的合成磷酸铁的方法，解决了传统合成方法所造成的污染问题，为合成磷酸铁提供新的方法、新的思路。本发明采用自发电合成方法使用廉价铁作原料制备磷酸铁材料，降低了成本，使用单一磷酸水溶液做电解液，不会引入外来离子，简化了工艺，得到的产品纯度更高，也易于大规模生产。本发明采用自发电合成方法制备的磷酸铁纯度高，制备的磷酸铁锂做正极的锂离子电池能够提高电池的充放电性能，从而提高了已有锂离子电池的充放电容量。
附图说明
图1是实施例1制备的磷酸铁透射电子显微镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明:
实施例1
一种纳米无水磷酸铁的合成方法，包括以下步骤：
(1)在容积为200升的电解槽中加入质量浓度45％的磷酸水溶液120kg，插入工业纯铁棒作为阳极，不锈钢作为阴极，搅拌下30℃自发电合成反应5小时，得到磷酸亚铁的悬浮液。
(2)在上述反应器中通入空气，有大量白色沉淀产生，继续在40℃反应1h，在温度30℃经陈化5h后，反复洗涤，再经过100℃喷雾干燥得到浅黄白色二水磷酸铁粉体。
(3)将(2)中粉体放入马弗炉中在温度500℃焙烧180分钟，得到纳米无水磷酸铁粉末。
以这种磷酸铁为原料所合成的磷酸铁锂在0.1C条件下首次放电比容量达155mAh/g。
实施例2
一种纳米无水磷酸铁的合成方法，包括以下步骤：
(1)在容积为200升的电解槽中加入质量浓度65％的磷酸水溶液110kg，插入工业纯铁盘作为阳极，碳棒作为阴极，搅拌下40℃自发电合成反应8小时，得到磷酸亚铁的悬浮液。
(2)在上述反应器中通入空气，有大量白色沉淀产生，继续在30℃反应1.5h，在温度20℃经陈化7h后，反复洗涤，再经过110℃喷雾干燥得到浅黄白色磷酸铁。
(3)将(2)中粉体放入马弗炉中在温度550℃焙烧120分钟，得到纳米无水磷酸铁粉末。
以这种磷酸铁为原料所合成的磷酸铁锂在0.1C条件下首次放电比容量达148mAh/g。
实施例3
一种纳米无水磷酸铁的合成方法，包括以下步骤：
(1)在容积为200升的电解槽中加入质量浓度50％的磷酸水溶液115kg，插入工业纯铁丝作为阳极，铅棒作为阴极，搅拌下35℃自发电合成反应12小时，得到磷酸亚铁的悬浮液。
(2)在上述反应器中通入空气，有大量白色沉淀产生，继续在20℃反应2h，在温度10℃经陈化8h后，反复洗涤，再经过120℃喷雾干燥得到浅黄白色二水磷酸铁。
(3)将(2)中粉体放入马弗炉中在温度600℃焙烧90分钟，得到纳米无水磷酸铁粉末。
以这种磷酸铁为原料所合成的磷酸铁锂在0.1C条件下首次放电比容量达146mAh/g。
实施例4
一种纳米无水磷酸铁的合成方法，包括以下步骤：
(1)在容积为200升的电解槽中加入质量浓度55％的磷酸水溶液112kg，插入工业纯铁棒作为阳极，不锈钢作为阴极，搅拌下40℃自发电合成反应15小时，得到磷酸亚铁的悬浮液。
(2)在上述反应器中通入氧气，有大量白色沉淀产生，继续在50℃反应0.5h，在温度50℃经陈化2h后，反复洗涤，再经过130℃喷雾干燥得到浅黄白色二水磷酸铁。
(3)将(2)中粉体放入马弗炉中在温度650℃焙烧60分钟，得到纳米无水磷酸铁粉末。
以这种磷酸铁为原料所合成的磷酸铁锂在0.1C条件下首次放电比容量达147mAh/g。
实施例5
一种纳米无水磷酸铁的合成方法，包括以下步骤：
(1)在容积为200升的电解槽中加入质量浓度60％的磷酸水溶液115kg，插入工业纯铁棒作为阳极，碳棒作为阴极，搅拌下30℃自发电合成反应6小时，得到磷酸亚铁的悬浮液。
(2)在上述反应器中通入氧气，有大量白色沉淀产生，继续在25℃反应1.8h，然后，在温度40℃经陈化4h后，反复洗涤，再经过140℃喷雾干燥得到浅黄白色磷酸铁。
(3)将(2)中粉体放入马弗炉中在温度700℃焙烧30分钟，得到纳米无水磷酸铁粉末。
以这种磷酸铁为原料所合成的磷酸铁锂在0.1C条件下首次放电比容量达150mAh/g。
实施例6
一种纳米无水磷酸铁的合成方法，包括以下步骤：
(1)在容积为200升的电解槽中加入质量浓度45％的磷酸水溶液112kg，插入工业纯铁棒作为阳极，不锈钢作为阴极，搅拌下38℃自发电合成反应8小时，得到磷酸亚铁的悬浮液。
(2)在上述反应器中通入氧气，有大量白色沉淀产生，继续在35℃反应1.2h，在温度25℃经陈化6h后，反复洗涤，再经过150℃喷雾干燥得到浅黄白色磷酸铁。
(3)将(2)中粉体放入马弗炉中在温度600℃焙烧80分钟，得到纳米无水磷酸铁粉末。
以这种磷酸铁为原料所合成的磷酸铁锂在0.1C条件下首次放电比容量达152mAh/g。