CN101070148A - 一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,采用二步法工艺,首先将含铁、锂和磷酸根的原料均匀混合,在较低温度下合成结晶程度较好的磷酸铁锂;然后将磷酸铁锂和复合导电剂(无机导电物与含碳导电剂前驱物)充分混和,在较高温度下经短时间热处理即可得到电化学性能优良的正极材料磷酸铁锂,获得的磷酸铁锂结晶性好,其与导电剂的界面作用强,使材料的锂离子和电子导电率高,并适合用于大倍率充放,本工艺原料为廉价化工产品,合成工艺简单,易于规模化生产,添加电子导电剂的方法独特,产品材料电化学性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法,特别是一种采用两步法工艺和复合导电剂来制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的方法。
背景技术
作为锂离子电池用正极材料的磷酸铁锂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研究的热点。
磷酸铁锂的制备方法主要有高温固相反应法、液相共沉积法、溶胶-凝胶法等。公开的高温固相法是将亚铁盐与磷酸盐和锂盐或氢氧化锂混合,在惰性气氛保护下焙烧合成磷酸铁锂。高温法的优点是工艺简单,易实现工业化,但反应物通常混合不均匀,产物颗粒、晶粒易长大,纯度不高,电化学性能不高。由高温固相法发展的碳热还原法(US6528033,US2004/0151649,CN200410017382.5)采用稳定的三价铁为铁源,利用高温下碳的还原性,将三价铁还原制备了颗粒、晶粒较小的磷酸铁锂,电化学性能得到了提高,但原料仍需要长时间球磨混合以使混合均匀,能耗大。液相共沉积法从溶液中共沉积出磷酸亚铁和磷酸锂前驱体,将该前驱体焙烧制得磷酸铁锂,这类方法所得材料的电化学性能较好,但整个制备过程(WO02/083555A2)都是在氮气保护气氛中进行,需消耗成本大量而成本高的抗坏血酸,不利于工业化。溶胶-凝胶法(CN1410349A)能够使铁、磷酸根和锂实现分子级混合,也容易实现掺杂,所得材料性能也比较理想,但工艺较为复杂,不宜规模化生产。化学插锂法合成了磷酸铁锂材料(专利CN1469499A)、水热法和微波法对工艺条件严格和投入成本高等,也不易进行大规模生产。
正极材料是需要电子和锂离子混合导体,磷酸铁锂材料先天的电子导电性能低下,因此需和导电剂复合以提高其在电化学过程中电子输运能力,添加导电碳粉或含碳导电剂前驱体是几乎被所有公开文献([J]J.F.Ni Progress in Chemistry 16(4)554-560 2004,[J]Y.Q.Hu et al Journal of the Electrochemical Society 151(8)A1279-A1285 2004,[J]S.T.Myung et al Electrochimica Acata 49(24)4213-4222 2004,[J]J.Shim et al Journal ofPower Sources 119 955-958 2003,A.S.Andersson et al Journal of Power Sources 97-8:503-5072001)和专利(US6528033,US2004/0151649,CN1410349A)制备磷酸铁锂正极材料使用,这些导电碳粉可以是天然石墨粉、人造石墨粉、碳黑,含碳导电剂前驱体为蔗糖、葡萄糖、聚丙烯酸、乙二醇、聚乙烯醇、淀粉或明胶的混合物。磷酸铁锂/碳复合,大大提高了材料的电子导电能力,使之成为下一代的工业用正极材料。然而,单质碳和氧化物的表面复合比较复杂,其界面电阻较大,磷酸铁锂作为一种复合氧化物和碳的界面存在同样的问题。
发明内容
本发明公开一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,创新之处在于采用二步法工艺,首先将含铁、锂和磷酸根的原料均匀混合,在较低温度下合成结晶程度较好的磷酸铁锂;然后将磷酸铁锂和复合导电剂(无机导电物与含碳导电剂前驱物)充分混和,在较高温度下经短时间热处理即可得到电化学性能优良的正极材料磷酸铁锂。具体是这样实施的:
一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征在于:
(1)将含铁、锂和磷酸根的原料均匀混合,混合物中含磷、铁和锂的摩尔比为1.0∶0.85-1.00∶0.95-1.05,以氮气或氩气或氢氩混合作保护气氛,在3-10小时内升温至500-750℃,保温反应1-10小时,然后冷却至室温,得到磷酸铁锂纯相;
(2)在磷酸铁锂纯相中添加由无机导电物、含碳导电剂前驱体组成的复合导电剂,复合导电剂中的无机导电物量为磷酸铁锂重量的1-20%,含碳导电剂前驱体量为磷酸铁锂重量的0-30%,充分混和后,于800-1000℃温度下热处理0.1-2小时,出料即为正极材料磷酸铁锂。
本发明中含铁、锂和磷酸根的原料的均匀混合可以是固相机械混合,也可以是通过调节PH值液相化学共沉淀混合。
本发明采用的含锂原料为锂的氧化锂、氢氧化锂、锂盐的一种或组合,锂盐是指碳酸锂、醋酸锂、硝酸锂、磷酸锂、磷酸二氢锂等。
本发明采用的含铁原料为铁的氧化物或氢氧化物、亚铁的氧化物或氢氧化物、铁盐、亚铁盐的一种或组合,其中铁盐、亚铁盐是指硫酸亚铁、硫酸铁、硝酸铁、柠檬酸铁、磷酸亚铁、磷酸铁、硫酸亚铁铵、磷酸铁铵等。
本发明采用的含磷酸根材料为五氧化二磷、磷酸、磷酸氨盐、磷酸亚铁、磷酸铁、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸亚铁铵等的一种或组合。
本发明复合导电剂中,采用的无机导电剂物导电硼化物(如MgB2、TiB2、ZrB2、MoB2等的一种或组合)、导电碳化物(SiC1+x、TiC、ZrC、NbC、TaC等的一种或组合)、导电过渡金属氧化物(Ti2O3、RuO2、CrO2、Ag2O、Cu2-xO等的一种或组合)、导电碳粉的一种或组合,导电剂前驱体为蔗糖、葡萄糖、聚丙烯酸、乙二醇、聚乙烯醇、淀粉、明胶的一种或组合。
本发明制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的方法最显著特点是:制备方法包括两步反应法,第一步在较低温度下反应得到结晶化的具有良好锂离子导电性能的磷酸铁锂,第二步高温反应得到具有良好电子和锂离子导电性能的正极材料;复合导电剂是无机导电物和含碳导电前驱体构成,其可和磷酸铁锂形成过电位较低、两物相表面存在强的化学键的作用,这样就可以更好地提高电子导电率,减少材料的内阻和提高电池的高倍率性,在第二步反应中不造成晶粒成长的前提下形成无机导电物和新产成碳的复合材料复合导电网络。本发明制备的正极材料,磷酸铁锂结晶性好,磷酸铁锂和导电剂的界面作用强,这些优点导致材料的锂离子和电子导电率高,并适合用于大倍率充放。本发明采用的原料可为廉价化工产品,合成工艺简单,易于规模化生产,添加电子导电剂的方法独特,产品材料电化学性能优良。
附图说明
图1是本发明实施例1的磷酸铁锂的X-射线衍射图谱。
图2是本发明实施例1的磷酸铁锂的扫描电镜照片。
图3是本发明实施例1的锂离子电池的循环特性图。
具体实施方式
实施例1
一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,将磷酸二氢锂、草酸亚铁均匀混合,原料中控制磷、铁和锂的摩尔比为1.0∶1.0∶1.0,以氩气作保护气氛,在3小时内升温至530℃,保温反应6小时,然后冷却至室温,得到磷酸铁锂纯相;
在磷酸铁锂纯相中添加无机导电和超细碳黑和含碳导电剂前驱体蔗糖,碳黑的加入量为磷酸铁锂重量的5%,蔗糖的加入量为磷酸铁锂重量的5%,充分混和后,于850℃温度下热处理15min,出料即为正极材料磷酸铁锂。图1是X射线衍射图,分析所得的磷酸铁锂粉末为纯的橄榄石型正交晶系单相结构。图2是磷酸铁锂粉末的扫描电镜照片,产物颗粒尺寸约为0.1微米。
将活性材料磷酸铁锂粉末、导电剂乙炔黑和粘结剂聚偏氟乙烯按质量比8∶1∶1混合均匀涂于铝箔上制成正极片。在氩气气氛干燥手套箱中,以金属锂片为对电极,UB3025膜为隔膜,碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)+1MLiPF6为电解液,组装成扣式电池测试性能。
在20±2℃下,对电池在2.5V~4.2V电压范围进行恒流充放电测试。图3是以1C倍率(170mA·g-1)充放电电池循环性能图,由图可知所得材料稳定的放电比容量为129mAh·g-1,经100多次循环电池容量没有衰减。
实施例2
一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,将氧化亚铁、氧化锂、五氧化二磷均匀混合,原料中控制磷、铁和锂的摩尔比为1.0∶0.85∶1.00,以氮气作保护气氛,在5小时内升温至600℃,保温反应8小时,然后冷却至室温,得到磷酸铁锂纯相;
在磷酸铁锂纯相中添加导电硼化物MgB2和MoB2,MgB2的加入量为磷酸铁锂重量的15%,MoB2的加入量为磷酸铁锂重量的5%,充分混和后,于800℃温度下热处理1小时,出料即为正极材料磷酸铁锂。
实施例3
一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,将磷酸锂、氢氧化铁均匀混合,原料中控制磷、铁和锂的摩尔比为1.0∶0.95∶1.00,以氢氩作保护气氛,在6小时内升温至700℃,保温反应5小时,然后冷却至室温,得到磷酸铁锂纯相;
在磷酸铁锂纯相中添加导电碳化物TiC和含碳导电剂前驱体明胶和乙二醇组成的复合导电剂,TiC的加入量为磷酸铁锂重量的1%,明胶的加入量为磷酸铁锂重量的2%,乙二醇的加入量为磷酸铁锂重量的8%,充分混和后,于1000℃温度下热处理0.1小时,出料即为正极材料磷酸铁锂。
实施例4
一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,在磷酸、硫酸亚铁铵的稀溶液中滴加氢氧化锂产生共沉淀,陈化、清洗、过滤并干燥,控制共沉淀物中磷、铁和锂的摩尔比为1.0∶1∶1.05左右,以氩气作保护气氛,在10小时内升温至750℃,保温反应1小时,然后冷却至室温,得到磷酸铁锂纯相;
在磷酸铁锂纯相中添加导电过渡金属氧化物RuO2与含碳导电剂前驱体葡萄糖组成的复合导电剂,其中RuO2的加入量为磷酸铁锂重量的10%,葡萄糖的加入量为磷酸铁锂重量的20%充分混和后,于900℃温度下热处理0.5小时,出料即为正极材料磷酸铁锂。
实施例5
一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,在磷酸二氢铵、硫酸亚铁的稀溶液中分别滴加醋酸锂和氨水将溶液的PH值调为6.5左右,并产生共沉淀,陈化、清洗、过滤并干燥,控制共沉淀物中磷、铁和锂的摩尔比为1.0∶0.9∶0.95左右,以氮气作保护气氛,在8小时内升温至500℃,保温反应10小时,然后冷却至室温,得到磷酸铁锂纯相;
在磷酸铁锂纯相中添加导电过渡金属氧化物RuO2和导电碳化物NbC、导电剂前驱体聚丙烯醇组成的复合导电剂,其中RuO2的加入量为磷酸铁锂重量的10%,NbC的加入量为磷酸铁锂重量的5%,聚丙烯醇的加入量为磷酸铁锂重量的30%充分混和后,于950℃温度下热处理2小时,出料即为正极材料磷酸铁锂。
Claims (9)
1.一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征在于:
(1)将含铁、锂和磷酸根的原料均匀混合,混合物中含磷、铁和锂的摩尔比为1.0∶0.85-1.00∶0.95-1.05,以氮气或氩气或氢氩混合作保护气氛,在3-10小时内升温至500-750℃,保温反应1-10小时,然后冷却至室温,得到磷酸铁锂纯相;
(2)在磷酸铁锂纯相中添加由无机导电物、含碳导电剂前驱体组成的复合导电剂,复合导电剂中的无机导电物量为磷酸铁锂重量的1-20%,含碳导电剂前驱体量为磷酸铁锂重量的0-30%,充分混和后,于800-1000℃温度下热处理0.1-2小时,出料即为正极材料磷酸铁锂。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于含铁、锂和磷酸根的原料的均匀混合是固相机械混合或液相化学共沉淀混合。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于含锂原料为锂的氧化锂、氢氧化锂、锂盐的一种或组合。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于锂盐是指碳酸锂、醋酸锂、硝酸锂、磷酸锂、磷酸二氢锂。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于含铁原料为铁的氧化物或氢氧化物、亚铁的氧化物或氢氧化物、铁盐、亚铁盐的一种或组合。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于铁盐、亚铁盐是指硫酸亚铁、硫酸铁、硝酸铁、柠檬酸铁、磷酸亚铁、磷酸铁、硫酸亚铁铵、磷酸铁铵。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于含磷酸根材料为五氧化二磷、磷酸、磷酸氨盐、磷酸亚铁、磷酸铁、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸铁铵的一种或组合。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于复合导电剂中,无机导电物为导电硼化物、导电碳化物、导电过渡金属氧化物、导电碳粉的一种或组合,含碳导电剂前驱体为蔗糖、葡萄糖、聚丙烯酸、乙二醇、聚乙烯醇、淀粉、明胶的一种或组合。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于导电硼化物是MgB2、TiB2、ZrB2、MoB2的一种或组合,导电碳化物是SiC1+x、TiC、ZrC、NbC、TaC的一种或组合,导电过渡金属氧化物是Ti2O3、RuO2、CrO2、Ag2O、Cu2-xO的一种或组合。
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