CN101159328A - 一种LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,涉及到锂离子电池正极材料的制备方法。本发明采用液相共沉淀法,按照Li∶Fe∶P=3.0~3.3∶1.0~1.1∶1.0~1.1(质量摩尔比),称取一定量的锂源、铁源和磷源,适量的碳掺杂材料和有机表面活性剂,加入到反应容器中,控制反应液的浓度、温度等反应条件制得前驱体凝胶,将前驱体凝胶进行分离、洗涤、过滤和干燥,即得到的前驱体粉末;将前驱体粉末压片并放入装有微波吸收剂的坩埚中,然后再将坩埚置于微波炉中,控制微波功率为100~600W,加热3~30min,即可制得纳米粒径的LiFePO4/C复合正极材料。本发明的技术方法具有制备周期短、能耗省、过程易于控制、适合工业化等优点。本发明制备的LiFePO4/C复合正极材料具有纯度高,粒径小于100nm,电化学性能好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域,特别涉及到LiFePO4锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
正极材料是锂离子电池的重要组成部分,目前广泛应用的锂离子电池正极材料是层状的LiCoO2,但由于其价格昂贵且毒性大,寻找替代LiCoO2的正极材料的要求越来越强烈。LiFePO4因其具有较高的理论比容量(170mAh/g)、适中的电压平台(3.4V左右)、优良的循环性能、低廉的价格和良好的安全性、环保性等优点,得到了广泛的关注,是一种新兴的极具发展潜力的锂离子电池正极材料。但是,磷酸铁锂的橄榄石型结构导致了其电导率和锂离子迁移率低,极大地限制了它的实际应用。近年来,各国学者专家研究了掺杂碳源、金属粒子或金属离子等高导电材料来提高磷酸铁锂的电导率,通过减小磷酸铁锂的粒径来提高锂离子迁移率的各种方法。
磷酸铁锂的制备方法主要有高温固相反应法、液相共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、氧化还原法、固相微波法和机械球磨法。工业上普遍使用的为高温固相反应法,即将一定比例的锂盐、亚铁盐和磷酸盐球磨混合均匀,在惰性气体保护下高温烧结得到磷酸铁锂。高温固相法的优点是易于实现工业化,但是高温固相法合成周期长、能耗大、热能利用低、锂盐挥发大、成分难以控制,导致产品的稳定性差。
专利CN1431147A中公开了一种制备磷酸铁锂的湿化学方法,该方法是先将锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物、掺杂元素化合物或导电剂和沉淀剂的溶液或悬浮液混合,在5~120℃的密闭搅拌反应器中,反应0.5~24小时,过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体,然后将所得前驱体放入高温炉中,在非空气或非氧化性气氛中,以30℃/min的升温速率加热,在500~800℃焙烧5~48小时,并以1~20℃/min的降温速率冷却或随炉冷却,制得磷酸铁锂纳米粉末。该方法对前驱体进行了常规烧结,并采用惰性气氛进行保护,其合成周期长、能耗大、难以控制产物的相成分和粒径大小。
微波烧结技术因其加热速度快、受热均匀、生产周期短、能耗小、生产效率高等优点,在无机材料的固相合成方面得到了快速发展。很多研究小组已经将微波烧结技术用于锂离子电池正极材料LiFePO4的制备方面,并取得了较大的进展。
专利CN1907844A中,发明人采用微波法制备了高密度超微复合型正极材料。其具体工艺为:将一定比例的铁盐化合物、锂盐化合物和磷盐化合物混合,并在其中加入掺杂元素化合物或含碳的有机化合物作为导电添加剂,加入作为载体的有机酸调节pH值,控制反应溶液温度得到纳米前驱体,在惰性气氛中将前驱体放置在微波炉中加热,获得最终产物。该方法合成的前驱体不能很好地实现碳的均匀掺杂,且微波烧结时采用了惰性气体保护,不能保证前驱体的均匀受热,产物的粒径不易控制。
专利CN1911792A中,发明人采用微波法制备了碳包覆的磷酸铁锂复合正极材料。其具体工艺为:将一定比例的锂盐、亚铁盐和磷酸盐以及柠檬酸、蔗糖等有机碳源,用乙醇或丙酮作为分散剂球磨混合,干燥压片后置于装有活性炭的坩埚中,调微波炉(2.45GHz)功率至中高档,加热5~12min,得到碳包覆的磷酸铁锂复合正极材料。该方法采用了球磨工艺对原料进行混合,不能实现碳源的均匀分散,所以在微波烧结时不能有效地控制产物粒径的大小和分布。
发明内容
本发明针对上述方法中存在的不足之处,提出一种液相共沉淀法结合微波烧结工艺制备纳米LiFePO4/C复合正极材料的方法。
本发明的技术原理:
采用湿化学方法合成磷酸铁锂,可以实现锂、铁和磷在分子水平上的混合,有助于控制产物的化学成分和粒径。本发明采用液相共沉淀法合成前驱体,并在合成前驱体时加入了掺杂碳源和有机表面活性剂,其中高比表面积的掺杂碳源,可以为前驱体沉积提供骨架,表面活性剂可以促进碳的均匀掺杂并有效防止前驱体粒子的团聚,合成出纳米级的前驱体。
前驱体中均匀分散的掺杂碳源和存留的有机表面活性剂可以作为微波烧结时的导热剂,使前驱体均匀受热,有效地防止局部温度过高,而且有机表面活性剂可以在高温下热解生成原位的碳膜包覆在磷酸铁锂粒子的表面,有效地抑制了晶粒的生长,可以制备出纳米LiFePO4/C复合正极材料,制备出的材料结构稳定、放电比容量高、循环稳定性好。
此外,采用活性炭等作为微波吸收剂,在高温下可以产生一氧化碳还原气氛,防止三价铁离子的生成,有效地提高了产物晶相的纯度。
本发明的具体内容如下:
按照Li∶Fe∶P=3.0~3.3∶1.0~1.1∶1.0~1.1的质量摩尔比,称取一定量的锂源、铁源、磷源,将锂源配成一定浓度的溶液,并向其中加入占磷酸铁锂量0~20%的掺杂碳源和50%~200%的有机表面活性剂,充分搅拌混合,并通入氩气提供保护气氛。然后将铁源和磷源的悬浮液滴入到锂源的混合液中,滴加完毕后,陈化10~60min,得到前驱体凝胶,经过离心分离、洗涤、抽滤、烘干得到前驱体粉末。然后将干燥的前驱体在10~40MPa下压片,放入装有活性炭等微波吸收剂的坩埚中,将坩埚置于微波炉中,控制微波功率为100~600W,加热3~30min,即可制得LiFePO4/C纳米复合正极材料。
上述的所述的锂源选自氢氧化锂、氯化锂、醋酸锂、硝酸锂中的一种或其混合物;铁源选自硫酸亚铁、硝酸铁、硫酸亚铁铵中的一种或其混合物;磷源选自磷酸二氢锂、磷酸氢二锂、磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵中的一种或其混合物;掺杂碳源选自活性炭、脱水碳、乙炔黑、石墨粉等高比表面积的导电碳黑中的一种或其混合物;表面活性剂选自聚乙二醇(PEG)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的一种或其混合物;微波吸收剂选自活性炭、乙炔黑、石墨粉单质形式的碳中的一种或其混合物。
本发明具有以下优点:
(1)采用液相共沉淀法合成前驱体,可以实现锂、铁和磷在分子水平上的混合,可以合成出粒径小于100nm的材料。
(2)制备周期短、能耗省、过程易于控制。
(3)产物中LiFePO4晶相纯净、结晶度高。
(4)制得LiFePO4/C纳米复合正极材料结构稳定、放电比容量高、循环稳定性好。
附图说明
图1为按实施例1工艺制得的LiFePO4/C纳米复合正极材料的XRD图。
图2为按实施例1工艺制得的LiFePO4/C纳米复合正极材料在0.1C下的首次充放电曲线图,电压范围为2.5~4.2V,对电极为锂片,隔膜为celgard2300,电解液为1.0mol/L的LiPF6(EC/DMC=1∶1,体积比)。
图3为按实施例1工艺制得的LiFePO4/C纳米复合正极材料的0.1C下的充放电循环曲线图,其电池制作工艺及电压范围同图2所述。
图4为按实施例1工艺制得的LiFePO4/C纳米复合正极材料的TEM图片。
具体实施方式
下面通过实验实施例对本发明进行具体描述,有必要指出的是本实施例只用于对本发明做进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
将2.308g一水合氢氧化锂、0.079g高比表面积活性炭、80mlPEG(平均分子量为400)加入100ml蒸馏水中,并充分搅拌0.5h,得到均匀混合液;将6.951g七水合硫酸亚铁和2.859g磷酸二氢锂一块溶解于100ml蒸馏水中,搅拌10min,得到悬浮液。在氩气气氛下,将LiH2PO4和FeSO4的悬浮液快速滴入到LiOH的混合液中,滴加完毕后,陈化0.5h,得到前驱体凝胶,然后进行离心分离,用去离子水洗涤沉淀数次,抽滤,然后在75℃、用氩气置换过的真空干燥箱中烘干8h,得到前驱体粉末。然后将干燥的前驱体粉末在15MPa下压片,放入装有活性炭的坩埚中,将坩埚置于微波炉中,控制微波功率为500W加热9min,即可得到LiFePO4/C纳米复合正极材料。室温下,以0.1C进行充放电,首次放电比容量为150mAh/g,循环30次后仍保持在140mAh/g。
实施例2
将4.196g一水合氢氧化锂、0.395g高比表面积乙炔黑、79mlPEG(平均分子量为400)、3.944gCTAB加入100ml蒸馏水中,并充分搅拌1h,得到均匀混合液;将13.901g七水合硫酸亚铁和5.200g磷酸二氢锂一块溶解于100ml蒸馏水中,搅拌15min,得到悬浮液。在氩气气氛下,将LiH2PO4和FeSO4的悬浮液快速滴入到LiOH的混合液中,滴加完毕后,陈化10min,得到前驱体凝胶,然后进行离心分离,用去离子水洗涤沉淀数次,抽滤,然后在70℃、用氩气置换过的真空干燥箱中烘干12h,得到前驱体粉末。然后将干燥的前驱体在20MPa下压片,放入装有石墨粉的坩埚中,将坩埚置于微波炉中,控制微波功率为600W加热5min,即可得到LiFePO4/C纳米复合正极材料。室温下,以0.1C进行充放电,首次放电比容量为155mAh/g,循环30次后仍保持在145mAh/g。
实施例3
将4.196g一水合氢氧化锂、0.1580g高比表面积石墨粉、15.776gCTAB加入100ml蒸馏水中,并充分搅拌1h,得到均匀混合液;将13.901g七水合硫酸亚铁和5.200g磷酸二氢锂一块溶解于100ml蒸馏水中,搅拌15min,得到悬浮液。在氩气气氛下,将LiH2PO4和FeSO4的悬浮液快速滴入到LiOH的混合液中,滴加完毕后,陈化15min,得到前驱体凝胶,然后进行离心分离,用去离子水洗涤沉淀数次,抽滤,然后在80℃、用氩气置换过的真空干燥箱中烘干10h,得到前驱体粉末。然后将干燥的前驱体在25MPa下压片,放入装有活性炭的坩埚中,将坩埚置于微波炉中,控制微波功率500W加热7min,即可得到LiFePO4/C纳米复合正极材料。室温下,以0.1C进行充放电,首次放电比容量为140mAh/g,循环30次后仍保持在128mAh/g。
实施例4
将6.7136g一水合氢氧化锂、0.1578g高比表面积石墨粉、158mlPEG(平均分子量为400)加入100ml蒸馏水中,并充分搅拌1h,得到均匀混合液;将14.200g硫酸亚铁铵和0.055mol磷酸一块溶解于100ml蒸馏水中,搅拌15min,得到悬浮液。在氩气气氛下,将上述的悬浮液快速滴入到LiOH的混合液中,滴加完毕后,陈化20min,得到前驱体凝胶,然后进行离心分离,用去离子水洗涤沉淀数次,抽滤,然后在75℃、用氩气置换过的真空干燥箱中烘干8h,得到前驱体粉末。然后将干燥的前驱体在15MPa下压片,放入装有乙炔黑的坩埚中,将坩埚置于微波炉中,控制微波功率200W加热25min,即可得到LiFePO4/C纳米复合正极材料。室温下,以0.1C进行充放电,首次放电比容量为160mAh/g,循环30次后仍保持在145mAh/g。
实施例5
将6.7136g一水合氢氧化锂、0.1578g高比表面积石墨粉、79mlPEG(平均分子量为400)、3.944gCTAB加入100ml蒸馏水中,并充分搅拌1h,得到均匀混合液;将14.200g硫酸亚铁铵和0.055mol磷酸一块溶解于100ml蒸馏水中,搅拌15min,得到悬浮液。在氩气气氛下,将上述的悬浮液快速滴入到LiOH的混合液中,滴加完毕后,陈化20min,得到前驱体凝胶,然后进行离心分离,用去离子水洗涤沉淀数次,抽滤,然后在75℃、用氩气置换过的真空干燥箱中烘干8h,得到前驱体粉末。然后将干燥的前驱体在30MPa下压片,放入装有石墨粉的坩埚中,将坩埚置于微波炉中,控制微波功率300W加热20min,即可得到LiFePO4/C纳米复合正极材料。室温下,以0.1C进行充放电,首次放电比容量为152mAh/g,循环30次后仍保持在143mAh/g。
Claims (12)
1.一种LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于该方法包括如下两个步骤:
(1)前驱体合成。按照一定的质量摩尔比例称取一定量的锂源、铁源、磷源、掺杂的碳源和有机表面活性剂,采用液相共沉淀法合成LiFePO4/C复合正极材料的前驱体。具体步骤为:先将锂源配成一定浓度的溶液,并向其中加入适量的掺杂碳源和有机表面活性剂,充分搅拌混合,并通入氩气提供保护气氛。然后将铁源和磷源的混合悬浮液滴入到锂源的混合液中,滴加完毕后,陈化一定时间,得到前驱体凝胶,经分离、洗涤、抽滤,然后在一定条件下烘干即可得到前驱体粉末。
(2)微波烧结。将步骤(1)得到的前驱体粉末在10~40MPa下压片,放入装有一定量微波吸收剂的坩埚中,将坩埚置于微波场中(频率为2.45GHz),控制微波功率为100~600W,加热3~30min,即可制得LiFePO4/C纳米复合正极材料。
2.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的锂源、铁源、磷源的质量摩尔比例为:Li∶Fe∶P=3.0~3.3∶1.0~1.1∶1.0~1.1。
3.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的掺杂的碳源用量为占磷酸铁锂量的0~20%。
4.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的有机表面活性剂用量为占磷酸铁锂量的50%~200%。
5.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的锂源选自氢氧化锂、氯化锂、醋酸锂、硝酸锂中的一种或其混合物。
6.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的铁源选自硫酸亚铁、硝酸铁、硫酸亚铁铵中的一种或其混合物。
7.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的磷源选自磷酸二氢锂、磷酸氢二锂、磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵中的一种或其混合物。
8.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的掺杂碳源选自高比表面积的活性炭、脱水碳、乙炔黑、石墨粉单质形式的碳中的一种或其混合物。
9.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的有机表面活性剂选自聚乙二醇(PEG)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的一种或其混合物。
10.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的陈化时间为10~60min。
11.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(1)所述的前驱体的干燥条件为氩气保护的真空干燥,60~80℃下烘干6~20h。
12.根据权利要求1所述的LiFePO4/C纳米复合正极材料及其制备方法,其特征在于步骤(2)所述的微波吸收剂选自活性炭、乙炔黑、石墨粉中的一种或其混合物。
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