具有均匀碳包覆层球形磷酸铁锂的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，特别是涉及一种具有均匀碳包覆层球形磷酸铁锂的制备方法。
【背景技术】
[0002]锂离子电池具有电压高、能量密度大、循环寿命长，工作温度范围宽、无污染等优点，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，特别是在化石能源日益昂贵、环境污染日趋严重的形势下，锂离子电池作为一种绿色高能电池，成为近几年的研究热点。
[0003]正极材料是锂离子电池的重要组成部分，常用的正极材料有LiCo02、尖晶石结构的LiMn204、橄榄石结构的LiFeP04等。LiCo02是大规模工业化的正极材料，综合性能较好，但其存在价格昂贵、毒性较大的缺点；LiMn204成本低、安全性好，但是循环性能较差；LiFeP04具有比容量高、良好的安全性能、优异的循环性能、原材料丰富和无污染等优点，已成为国内外的研究热点，但是LiFeP04存在两个明显的缺点:一是LiFeP04的离子传导率和电子电导率均偏低，其中电子电导率SeS 10 9s/cm，而离子传导率Si为10 ns/cm，二者直接导致高倍率充放电性能差；二是堆积密度低，因而它的体积比容量小。此外，LiFeP04的低温性能极差，以上缺点严重影响了这一材料的应用。针对LiFeP04的不足之处，目前本领域技术人员采用的改进措施主要有:(1)掺杂或添加导电剂提高材料的电导率；(2)细化晶粒，合成小粒径的LiFeP04，以缩短锂离子扩散路径进而提高离子传导率；(3)合成具有球形形貌结构且具有合理粒度分布的颗粒提高材料的堆积密度，以提高材料的体积比容量。
[0004]经检索发现，公开了申请号为200410103485.3、公开号为CN1635648A、名称作:锂离子电池正极材料高密度球形磷酸铁锂的制作方法的发明专利，说明书中公开了先将三价铁盐水溶液、磷源水溶液、碱水溶液反应合成球形或类球形磷酸铁前驱体，洗涤干燥后与锂源、碳源、掺杂金属化合物均匀混合，在惰性或还原气氛保护下，经过600-900°C高温热处理8-48小时得到磷酸铁锂。本制作方法制作出平均粒径为7-12 μ m，振实密度可达2.0-2.2g/cm3，室温下首次放电比容量可达140-155mAh/g的高堆积密度、高体积比容量的锂离子电池正极材料球形磷酸铁锂。该方法利用球磨混料容易破坏前驱体的形貌结构，不利于产品一致性的控制；同时产品粒径达到了 7-12 μ m，充放电过程中锂离子扩散路径长，倍率性能差。
[0005]公开了申请号为200810065112.X、公开号为CN101478045A、名称作:一种高振实密度磷酸铁锂的制作方法的发明专利，该方法包括两个步骤，第一步采用软化学方法合成亚微米级的磷酸铁锂粉末；第二步将第一步制得的磷酸铁锂粉末高速搅拌并同时喷入高分子聚合物溶液进行造粒，然后烧结处理。采用两步法制作锂离子电池正极活性材料磷酸铁锂，可以制得大于1.5g/cm3的高振实密度、低于10m2/g的低比表面积、平均粒径在5_15微米的锂电池正极活性材料磷酸铁锂。该方法合成过程中需要进行两次烧结处理，还有喷雾造粒等诸多工序，工艺耗时过长，能耗高，不利于工业化稳定生产。
[0006]公开了申请号为201010239384.4、公开号为CN101920951A、名称作:锂离子动力电池用球形磷酸铁锂的制作方法的发明专利，该方法包括:第一步，采用“NXZP” (内循环、自平衡)式控制结晶法工艺，将三价铁源、磷源按照摩尔比(0.99-1.02): 1的比例配成混合水溶液，将碱配制成2-5M的水溶液，将碳配制成溶液，将混合水溶液、碱的水溶液和碳溶液在常温下分别连续输入带水力学颗粒大小控制器的连续结晶反应釜中，将体系中溶液的PH值控制在2-5之间，进行共沉淀反应，固液分离、洗涤，在60-80°C下烘干2_8小时后得到球形磷酸铁，即球形磷酸铁锂的前躯体；第二步，以前躯体为原料与锂源、碳源掺杂1-3%的金属化合物均匀混合后，保护气体下，混合物在炉窑中进行热处理，温度控制在200-300°C /h，经过2-3小时快速升温至600-800°C，恒温15-20小时即可得到球形磷酸铁锂。该方法制成的磷酸铁锂平均粒径8-10 μ m，振实密度2.lg/cm3。如此大的粒径不利于锂离子的快速扩散，进而会影响电性能的发挥，尤其是对高倍率性能影响更大。
[0007]公开了申请号为201210403399.9、公开号为CN102881902A、名称作:工业化生产磷酸铁锂正极材料的方法的发明专利，该方法包括:第一步，磷酸铁锂前驱体的合成，将锂源、铁源和碳源按反应比例称量后转入混料设备，持续混料l_5h，混料结束后利用气体粉碎机对混合物料进行粒度控制；物料粒度经细化后再通过压实机进行压实，最后转入烧结炉，在对烧结炉通入惰性保护气体0.5-2h后，设置前段温度300-40(TC进行烧结，烧结结束后自然冷却至室温；第二步，二次引入碳源将冷却后的前驱体物料按比例称取有机碳源，重新混合，混合均匀后再次加入至高温烧结炉；第三步，磷酸铁锂材料的合成对再次加入的混合物料通惰性气体保护，然后设置温度为600-80(TC，时间为2-10h进行焙烧，冷却后获得碳包覆磷酸铁锂正极材料。该方法需要经过两次混合与烧结，第一次混料后还经过气流粉碎机对颗粒进行处理及压实机进行压实，工序复杂，能耗大，生产成本高。
【发明内容】
[0008]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种成本低廉、合成工艺简单，且能稳定控制最终材料颗粒形貌结构和粒度分布，并具有优良电性能的具有均匀碳包覆层球形磷酸铁锂的制备方法。
[0009]本发明包括如下技术方案:
[0010]具有均匀碳包覆层球形磷酸铁锂的制备方法，其特点是:包括以下制作步骤:
[0011]步骤1、液相沉淀法合成球形磷酸铁前驱体的过程
[0012](1)按照摩尔比Fe:P = 1:1_1.5的比例分别称取铁源和磷源，溶于去离子水中，配制成铁离子浓度为0.2-4mol/L、磷酸根离子浓度为0.2_6mol/L的溶液称作A溶液；配制0H-浓度为0.2-10mol/L的氢氧化钠溶液，称作B溶液；
[0013](2)将A溶液和B溶液同时加入到反应釜中，控制反应釜中的温度在50-100°C，PH=0.5-4，搅拌反应4-15h，得到由纳米微晶团聚而成的微米级球形磷酸铁，洗涤干燥后得到白色球形磷酸铁粉末作为球形磷酸铁前驱体；
[0014]步骤2、流变相法混合制作流变体的过程
[0015]按照摩尔比L1:Fe = 1-1.2:1的比例，分别称取碳酸锂和步骤1制成的球形磷酸铁前驱体配制成混合物，称作混合物C ;按照混合物C重量10% -30%的比例称取碳源，将碳源溶于碳源重量1-3倍的去离子水中形成碳源溶液；碳源溶液中加入碳源重量2% -10%的添加剂形成乳液；将制成的混合物c加入到乳液中，在高粘度搅拌机中搅拌0.5-6h，形成均匀分散的流变体；
[0016]步骤3、材料干燥、烧结的过程
[0017]将步骤2制成的流变体在80-120°C的干燥箱中干燥12_36h，自然冷却至室温后形成干燥产物；将干燥产物放入气氛烧结炉中，以0.l_lm3/h的流量通入惰性气体，250-400°C保温2-6h，然后升温至550-700°C保温8_16h，随炉冷却至室温；过筛后，完成具有均匀碳包覆层球形磷酸铁锂的制作过程。
[0018]本发明还可以采用如下技术措施:
[0019]所述铁源为硝酸铁、硫酸铁或三价铁可溶盐中的一种或一种以上混合物。
[0020]所述磷源为磷酸，或者磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾中的一种或一种以上混合物。
[0021]所述碳源为蔗糖、葡萄糖、可溶性淀粉、柠檬酸、硬脂酸、聚乙烯醇、聚