正磷酸铁的制备

概述

本发明涉及一种制备特别高纯度的正磷酸铁(III)的方法，由所述方法制得的正磷酸铁(III)，及其用于生产锂-离子电池的LiFePO4阴极材料、作为富含矿物的食品添加剂和作为软体动物杀灭剂的应用。

磷酸铁可以在很多领域中使用，例如用作富含矿物的食品添加剂或营养补充剂，用作软体动物杀灭剂中的活性物质，用于陶瓷工业，或用作生产锂-离子电池的LiFePO4阴极材料的原材料。关于这一点，各应用领域对磷酸铁有不同的需求，而在某些具体应用中，化学纯度至关重要。在很多情况下，例如考虑生物体的生物利用度时，磷酸铁的形态或颗粒细度对于成功应用也极为重要。

可再充电锂-离子电池是具体在移动电子器件领域中广泛使用的电力存储装置，这是由于锂-离子电池的特点是能量密度高并且能供应3.7伏的高额定电压，这样与传统电池相比，在功率输出相当的情况下，锂-离子电池明显更小并且更轻。尖晶石如LiCoO2、LiNiO2,LiNi1^xCoxO2和LiMnnO4已被确定用作阴极材料。为了增加锂-离子电池的可靠性和安全性(具体涉及操作中的热过载)，LiFePO4已被研发作为阴极材料。这种材料的特点是功率输出更好，比电容更高，并且操作中热稳定性高。

电池的阴极材料需要高的纯度，这是由于任何能在操作(充电或放电)中引起不希望的氧化还原反应的污染都会对电池的功率造成不利影响。可能的污染的性质和浓度基本上取决于用于生产阴极材料的原材料质量。可以在阴极材料生产方法中采取后续减少杂质的措施，但这通常会导致生产成本增加。因此希望使用尽可能纯的原材料或起始材料来生产阴极材料。

生产用于锂离子电池的LiFePO4的起始材料是正磷酸铁，其纯度和结构或形态对由其制得的阴极材料质量有明显的影响。

已知的生产正磷酸铁(III)的方法使用FeSO4和FeCl3作为起始材料或原材料，但也可以使用金属有机前体化合物如FeC202 (Gmelins无机化学手册(Handbuch deranorganischen Chemie),铁部分 B,第 773ff 页；US-A-3 407 034 ；C Delacourt 等，ChemMater 2003,15 5051-5058 ；Zhicong Shi 等，电化学和固态快报(Electrochemical andSolid State Letters) 2005,8, A396-A399)。在这些起始材料中的磷或磷酸根组分通过磷酸盐或磷酸方式引入。所述方法还总是需要加入HCl、NaOH、NH3、NaClO3或表面活性剂以控制得到的产品的化学-物理性质。结果是，这种方法制得的材料总是包含杂质阴离子如氯离子或硫酸根、阳离子如钠离子或铵离子，或有机化合物。从大的技术规模上来讲，这些杂质只有通过极复杂的高成本纯化工艺才能完全去除。

其它的阳离子污染(例如使用如FeSO4或FeCl3的原材料中最初包含的过渡金属)通常不易分离或清洗去除，这是由于通常它们也形成难以溶解的磷酸盐并与目标磷酸铁共同结晶。

制备方法

在室温(AT:20°C )下提供稀磷酸(18重量％;20°C时密度=1.146g/ml)，并与20g氧化铁(磁铁矿；Fe304)混合。将该批料用分散棒以10，000rpm的速度均化10分钟。再将得到的悬浮液与7g铁粉搅拌混合。

开始放热反应。温度在20分钟内从大约20°C升至40°C。悬浮液的颜色在这段时间内从黑变为绿-褐色，起始材料溶解。由于悬浮液中可以看到小气泡，因此有气体(H2)生成。产生的气体量用气泡计数器定量。溶解过程结束后，过滤溶液以从溶液中分离固体物质。再将溶液加热至80°C并与约55ml H2O2 (35重量％)混合，以将溶液中的Fe2+离子氧化为Fe3+离子。由于H2O2分解产生氧气。通过快速测试Fe2+离子(来自默克公司(Merck)的测试棒)来确认氧化反应是否完全进行。可以加入&02。在大约85°C保持现已呈粉色的溶液，并沉淀正磷酸铁(III)。沉淀持续约30分钟。最终产物呈浅粉色，在沉淀之后通过玻璃料抽滤并用400ml水清洗。材料越细，抽滤去除步骤持续的时间越长。再将产物在干燥箱中80°C干燥3小时。产率至少为90%。最终产物为细的正磷酸铁(III)。