一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，包括以下步骤：S1、高浓度的铁源溶液与高浓度的磷源溶液快速反应得到磷酸铁晶种；S2、缓慢匀速地加入低浓度的铁源溶液和磷源溶液，实现磷酸铁晶体的生长，从而得到高振实密度的磷酸铁材料。本发明专利技术将磷酸铁的晶种反应和结晶反应有效地分隔开，成功制备出类球形微米级磷酸铁颗粒。这些类球形大颗粒磷酸铁，一次颗粒团聚紧密，二次颗粒尺寸均一，展现出极高的振实密度(＞1.05g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法
本专利技术涉及锂离子电池材料
，具体涉及一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法。
技术介绍
具有橄榄石结构的磷酸铁锂，具有原料丰富、放电平台稳定、循环寿命长、绿色环保等优点，被认为是最具应用前景的锂离子电池材料之一，广泛应用于储能等多个领域。但由于磷酸铁锂较低的振实密度(0.8～1.3g/cm3)，导致磷酸铁锂电池能量密度相对较低；磷酸铁锂电池单体能量密度仅为120W·h/kg，形成电池组后能量密度仅为80W·h/kg。这极大地限制了磷酸铁锂电池的进一步应用。为解决这一问题，研究者们正致力于开发能量密度更高的磷酸铁锂新型动力电池。通常而言，振实密度越高，单位体积内能装填的活性材料就越多，电池的能量密度就越高。提高磷酸铁锂电池能量密度一个行之有效的策略是提高磷酸铁锂的振实密度。而磷酸铁作为制备磷酸铁锂的重要前驱体材料，磷酸铁的振实密度对磷酸铁锂的振实密度有着决定性的影响。然而，相关技术所制得磷酸铁一次颗粒团聚较为疏松，二次颗粒表现为无规则软团聚体，颗粒堆积时颗粒间存在较大的空隙，导致其振实密度仅能达到0.5～0.8g/cm3，这对获得高振实密度的磷酸铁锂极为不利。针对于此，为提升磷酸铁锂电池的能量密度，十分有必要寻找一种高振实密度磷酸铁的制备方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，能够制备出粒径分布均匀，一次粒子团聚紧密，二次粒子成类球形的大颗粒磷酸铁材料。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法。根据本专利技术实施方式的一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，包括以下步骤：S1、配制第一铁源溶液、第二铁源溶液、第一磷源溶液和第二磷源溶液；将第一磷源溶液添加至第一铁源溶液中进行第一阶段反应，得到磷酸铁晶种；S2、将磷酸铁晶种、第二铁源溶液和第二磷源溶液进行第二阶段反应，得到磷酸铁浆料；S3、磷酸铁浆料固液分离，干燥，煅烧后，即得无水磷酸铁；其中，所述第一铁源溶液中铁元素的摩尔浓度为1.0～1.5mol/L；所述第二铁源溶液中铁元素的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L；所述第一磷源溶液中磷元素的摩尔浓度为1.0～1.5mol/L；所述第二磷源溶液中磷元素的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L。第一铁源溶液和第一磷源溶液产生磷酸铁晶种，高浓度的铁溶液和磷溶液，提高反应饱和度、增大磷酸根离子和铁离子的碰撞，制备出尺寸较小且均一的磷酸铁晶种。第二铁源溶液和第二磷源溶液是用于磷酸铁晶体的生长，采用低浓度的铁溶液和磷溶液在磷酸铁晶体的生长过程将晶体生长和晶体成核两部分分隔开，即在生长时避免有新核的产生，降低晶体成核速率，保证晶体稳定生长。根据本专利技术的一些实施方式，所述第一铁源和第二铁源均独立选自铁盐或亚铁盐，第一铁源和第二铁源相同或不同；优选地，若所述第一铁源或第二铁源为亚铁盐，则所述第一铁源或第二铁源中还含有氧化剂。根据本专利技术的一些实施方式，所述铁盐为硫酸铁、氯化铁和硝酸铁中的至少一种。根据本专利技术的一些实施方式，所述亚铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁和硝酸亚铁中的至少一种。根据本专利技术的一些实施方式，所述氧化剂为次氯酸盐、过氧化物、过硫酸盐和臭氧中的至少一种。根据本专利技术的一些实施方式，所述次氯酸盐为次氯酸钠和次氯酸钾中的至少一种。根据本专利技术的一些实施方式，所述过氧化物为过氧化氢。根据本专利技术的一些实施方式，所述过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾和过硫酸铵中的至少一种。根据本专利技术的一些实施方式，所述第一磷源和第二磷源均独立选自磷酸和磷酸盐中的至少一种，第一磷源和第二磷源相同或不同。根据本专利技术的一些实施方式，所述磷酸盐为磷酸一氢铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢钠和磷酸二氢钠中的至少一种。根据本专利技术的一些实施方式，所述第一阶段反应包含以下操作：在搅拌速率为300～600rpm的条件下，将第一磷源溶液添加至第一铁源溶液中，控制体系温度为80～100℃，持续搅拌反应1～3h，得到白色浆料。根据本专利技术的一些实施方式，所述第一铁源溶液中铁元素与第一磷源溶液中磷元素的摩尔比为1:1～1.4。根据本专利技术的一些实施方式，所述第二阶段反应包含以下操作：在控制搅拌速率为100～400rpm、体系温度为88～92℃和加料速度的条件下，将第二铁源溶液和第二磷源溶液添加至磷酸铁晶种中，持续保温0.5～3h。根据本专利技术的一些实施方式，所述第二铁源溶液的加料速度为0.5～3L/h。根据本专利技术的一些实施方式，所述第二铁源溶液中铁元素与第二磷源溶液中磷元素的摩尔比为1:1～1.4。根据本专利技术的一些实施方式，所述干燥温度为85～95℃。根据本专利技术的一些实施方式，所述煅烧温度为630～670℃，煅烧时间为3～4h。根据本专利技术实施方式的高振实密度磷酸铁材料的制备方法，至少具有以下有益效果：本专利技术将铁源和磷源分成两部分，一部分用于产生磷酸铁晶种，另一部分用于磷酸铁晶体的生长，有效地将磷酸铁晶核形成及晶体生长两个阶段分隔开；在磷酸铁晶核形成阶段，保持高搅拌速率，并使用高浓度的第一铁源和第一磷源作为反应液，增加铁离子和磷酸根离子的碰撞几率，使得晶核形成速率要大于晶体生长速率，形成粒径较小的一次颗粒。在磷酸铁晶体生长阶段，降低搅拌速率，并使用低浓度的第二铁源和第二磷源作为反应液，降低成核速率，极大程度地避免了在生长过程中磷酸铁新核的产生，从而保证磷酸铁颗粒能够稳定的生长。本专利技术制备的类球形大颗粒磷酸铁，一次颗粒团聚紧密，二次颗粒尺寸均一，展现出极高的振实密度(＞1.05g/cm3)。而相关技术所合成的磷酸铁，由于晶核形成过程和晶体生长过程不能有效的分离，所制备的磷酸铁一次颗粒团聚较为疏松，二次颗粒呈无规则软聚合体，表现出较低的振实密度(0.5～0.8g/cm3)。此外，本专利技术通过控制进料数量，制备出粒度尺寸可控的磷酸铁。附图说明图1为本专利技术实施例1制得的类球形大颗粒磷酸铁的SEM图(高倍)；图2为本专利技术实施例1制得的类球形大颗粒磷酸铁的SEM图(低倍)；图3为本专利技术对比例1制得的磷酸铁的SEM图(高倍)；图4为本专利技术对比例1制得的磷酸铁的SEM图(低倍)。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。本专利技术的实施例一为：一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，包括以下步骤：S1、在搅拌速率为400rpm的条件下，按铁元素与磷元素的摩尔比为1:1.3，第一铁源硫酸铁溶液中快速加入将磷酸一氢铵溶液(1.2mol/L)快速添加至硫酸铁溶液(0.6mol/L)后，控制反应体系温度为92℃，反应时间为3h，逐渐转换成白色浆料，得到磷酸铁晶种；S2、在搅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1、配制第一铁源溶液、第二铁源溶液、第一磷源溶液和第二磷源溶液；将第一磷源溶液和第一铁源溶液进行第一阶段反应，得到磷酸铁晶种；/nS2、将磷酸铁晶种、第二铁源溶液和第二磷源溶液进行第二阶段反应，得到磷酸铁浆料；/nS3、磷酸铁浆料固液分离，干燥，煅烧后，即得无水磷酸铁；/n其中，所述第一铁源溶液中铁元素的摩尔浓度为1.0～1.5mol/L；所述第二铁源溶液中铁元素的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L；/n所述第一磷源溶液中磷元素的摩尔浓度为1.0～1.5mol/L；所述第二磷源溶液中磷元素的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L。/n

【技术特征摘要】
1.一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、配制第一铁源溶液、第二铁源溶液、第一磷源溶液和第二磷源溶液；将第一磷源溶液和第一铁源溶液进行第一阶段反应，得到磷酸铁晶种；
S2、将磷酸铁晶种、第二铁源溶液和第二磷源溶液进行第二阶段反应，得到磷酸铁浆料；
S3、磷酸铁浆料固液分离，干燥，煅烧后，即得无水磷酸铁；
其中，所述第一铁源溶液中铁元素的摩尔浓度为1.0～1.5mol/L；所述第二铁源溶液中铁元素的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L；
所述第一磷源溶液中磷元素的摩尔浓度为1.0～1.5mol/L；所述第二磷源溶液中磷元素的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L。


2.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，其特征在于：所述第一铁源和第二铁源均独立选自铁盐或亚铁盐，第一铁源和第二铁源相同或不同。


3.根据权利要求2所述的一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，其特征在于：所述铁盐为硫酸铁、氯化铁和硝酸铁中的至少一种；所述亚铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁和硝酸亚铁中的至少一种；优选地，若所述第一铁源或第二铁源为亚铁盐，则所述第一铁源或第二铁源中还含有氧化剂；所述氧化剂为次氯酸盐、过氧化物、过硫酸盐和臭氧中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸铁材料的制备方法，其特征在于：所述第一磷源和第二磷源均独立选自磷酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭超，林奕，丁建华，万文治，
申请(专利权)人：湖南雅城新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43