CN101335347B - 锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法 - Google Patents

锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备万法,在混合有导电剂和聚偏氟乙烯粘结剂的磷酸铁锂中添加碳纳米管,并对添加的碳纳米管采用至少经过球磨、气流预处理、纯化处理、酸化处理和酯化处理中的一种处理,可以有效提高碳纳米管的纯度和降低碳纳米管表面能和缠绕程度,使碳纳米管呈现出较为有序的排列,在磷酸铁锂中能够均匀分散,形成一个体积电阻率很小的导电网络来有效地提高磷酸铁锂的导电性,以碳纳米管为导电剂,使磷酸铁锂作为锂离子二次电池正极材料使用时,能够具有良好的大倍率充放电的能力。

Description

锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极材料的制备方法,尤其是锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法。
背景技术
锂离子二次电池是1990年由日本索尼公司(SONY)率先成功推出的新型绿色高能可充电电池,具有电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽、无污染等众多优点,广泛应用于移动电话、便携式电动工具、笔记本电脑、武器装备等。随着锂离子电池的日益发展,具有大容量、高倍率充放电锂离子动力电池也已成为世界各国竞相发展的重点。锂离子动力电池将主要应用于电动汽车、电动摩托车、电动自行车、UPS备用电源、军事装备、矿灯、便携式武器、移动通讯装备等要求大容量或大倍率充放电的动力装置。
正极材料是锂离子电池的一个重要组成部分。常见的正极材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4以及以上三种材料的衍生材料。层状LiCoO2是应用最多的一种正极材料,但其原料价格昂贵、有毒、安全性能差。层状LiNiO2尽管具有原料易得、对环境污染小等优点,但因其循环性能差、高温稳定性差、安全性能差、合成工艺条件苛刻、易发生副反应、反应生成的产物影响电池的容量和循环性能等原因限制了它的应用。尖晶石LiMn2O4虽然价格便宜、环保、可大电流充放电,但其在充放电过程中因其结构容易发生转变,导致循环性能较差,尤其是工作在高温(55℃)时,循环容量急剧下降,除此之外,它在电解液中有一定的溶解性,使得电池的储存性能差。
1997年,J.B.Goodenough等在美国申请的专利US5,910,382中,率先将LiFePO4(磷酸铁锂)作为锂离子二次电池的正极材料。橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料具有价格低廉、储藏极其丰富、对环境无污染、电压较高、容量较高(理论容量为170mAh/g,能量密度为550Wh/Kg)、循环性能优良(理论循环次数达2000次)、热稳定性能好、在锂离子二次电池应用时安全性能尤其突出(在高温条件下不会产生气体)等优点,使其在锂离子电池的应用领域有着不可替代的优势,可望成为新一代的可以取代LiCoO2的锂离子二次电池正极材料。
但是,磷酸铁锂存在着导电性差的致命弱点。磷酸铁锂的电导率为4.3x10-9s/cm(其倒数为体积电阻率高达2.3x10+8Ω·cm),导电性很差。当磷酸铁锂作为锂离子二次电池的正极材料时,电池的倍率特性较差,电池在大电流放电时,电池容量相对于小电流放电时明显降低。所以,磷酸铁锂很难直接用作锂离子电池的正极材料,尤其是用作需要大倍率充放电的锂离子动力电池的正极材料。因此,改善磷酸铁锂的导电性能,提高锂离子在材料本体及界面之间的迁移速度是磷酸铁锂能否实现应用的关键。
磷酸铁锂作为锂离子二次电池正极材料使用时,人们通常会添加一些导电剂(如导电炭黑或导电石墨)来改善磷酸铁锂的导电性。但常用的导电剂很难从根本上解决磷酸铁锂导电性差的问题。
为了提高磷酸铁锂导电性,人们还探讨了其它不同的方法。这些方法可分为两类:一类是在磷酸铁锂表面包覆导电物质碳或银、或在磷酸铁锂中添加纳米级导电金属银粉或铜粉,这类方法可以形成磷酸铁锂与导电物质之间的复合体,达到降低界面传导电阻的目的;还有一类是通过元素掺杂(如Mg2+、Al3+、Ti4+等)来提高磷酸铁锂的本征电导率。
碳纳米管(Cabon Nanotubes,简称CNTs)是1991年才被发现的一种新型碳结构,是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的管体。碳纳米管分为单壁碳纳米管(Single-walled Nanotubes,SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled Nanotubes,MWNTs),其制备方法主要有催化热解、电弧放电和激光蒸发等。由于直径很小、长径比大,碳纳米管被视为准一维纳米材料。已经证实碳纳米管具有奇特的电学性能,是一种非常优良的导电剂。
以碳纳米管作为导电剂,添加到磷酸铁锂中可以在磷酸铁锂中形成一个体积电阻率很小的导电网络,可提高磷酸铁锂导电性。但是,由于碳纳米管的管径小,表面能大,很容易发生团聚,如果直接将碳纳米管添加到磷酸铁锂中,很难实现碳纳米管在磷酸铁锂中均匀分散。
发明内容
本发明的目的是提出一种通过添加碳纳米管来提高锂离子电池磷酸铁锂正极材料导电性的制备方法。
锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)碳纳米管预处理:将碳纳米管在球磨机中,于200-500rpm的转速下,球磨1h,然后在气流磨中用气流处理,收集备用;
2)碳纳米管纯化处理:将步骤1)预处理的碳纳米管、1-5mol/L的盐酸和1-6mol/L的稀硝酸按照1g∶50-200ml∶50-200ml的比例在容器中搅拌混合,超声处理,抽滤,用去离子水洗至pH值为中性,干燥,研磨,待用;
3)碳纳米管酸化处理:将经步骤2)纯化处理碳纳米管和质量浓度为68%的硝酸按照质量∶体积=1.0g∶100-400ml的比例进行混合,混合物超声1-2h后,60-100℃下搅拌冷凝回流2-4h,冷却,去离子水稀释,微孔滤膜减压抽滤,洗涤至中性,干燥,粉碎,得到酸化处理碳纳米管;
4)碳纳米管酯化处理:将经步骤3)酸化处理碳纳米管、0.1-0.6ml/L的NaOH按照1g∶600-800ml的比例在容器中混合,超声震荡,得到酸化处理碳纳米管表面的羧基转换成钠盐形式的悬浮液,在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质5-20ml及相转移催化剂1-4ml,超声分散,80℃下回流加热搅拌1-3h,静置冷却;再加入质量浓度99.5%的氯仿35-50ml溶解沉淀,用滤膜抽滤,回收滤渣,滤液中加入质量浓度99.5%的无水乙醇10-15ml,析出黑色沉淀,干燥,粉碎,研磨,得到酯化处理碳纳米管;
5)将聚偏氟乙烯粘结剂倒入N-甲基吡咯烷酮溶剂中,N-甲基吡咯烷酮溶剂重量为聚偏氟乙烯粘结剂重量的12-22倍,搅拌至完全溶解,然后加入磷酸铁锂、碳纳米管和导电剂,其中的碳纳米管为经过预处理、纯化处理、酸化处理和酯化处理的至少一种处理的碳纳米管,磷酸铁锂∶碳纳米管∶导电剂∶聚偏氟乙烯粘结剂的重量比为0.86~0.958∶0.001~0.02∶0.001~0.05∶0.04~0.06,搅拌混合成均匀混合浆料,得到用于锂离子电池的磷酸铁锂正极材料。
本发明中,所说的碳纳米管为多壁碳纳米管,管径为10-50nm,管长为0.5-100μm。
本发明中,所说的酯化反应接枝物质可以是溴代正丁烷、2-氨基-1-丁醇、氨基吡啶、乙二胺、十八烷基胺、二甲基甲酰胺和长链烷基中的至少一种。
本发明中,所说的相转移催化剂可以是四丁基溴化胺、三辛基甲基氯化铵、二乙基乙醇基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、聚乙二醇、聚醚中、4-二甲氨基吡啶和硅烷基季铵盐中的至少一种。
本发明中,所说的导电剂为乙炔炭黑、导电石墨、铜粉、银粉和稀土金属粉末中的至少一种。
通常使混合浆料的固含量为30%-70%,粘度为6000-8000mps。
本发明的有益效果在于:
本发明制备工艺简单,在混合有导电剂和聚偏氟乙烯粘结剂的磷酸铁锂中添加碳纳米管,并对添加的碳纳米管采用至少经过球磨、气流预处理、纯化处理、酸化处理和酯化处理中的一种处理,可以有效提高碳纳米管的纯度和降低碳纳米管表面能和缠绕程度,使碳纳米管呈现出较为有序的排列,在磷酸铁锂中能够均匀分散,形成一个体积电阻率很小的导电网络来有效地提高磷酸铁锂的导电性,以碳纳米管为导电剂,使磷酸铁锂作为锂离子二次电池正极材料使用时,能够具有良好的大倍率充放电的能力。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明。
实施例1:
1)将碳纳米管放入球磨机中,在500rpm的转速下,球磨1h,然后放入气流磨中用气流处理,得到预处理碳纳米管,收集备用;
2)将步骤1)预处理的碳纳米管、1mol/L的盐酸和1mol/L的稀硝酸按照1g∶200ml∶200ml的比例在容器中搅拌混合,在500rpm的转速下搅拌,再超声处理1h,减压抽滤,用去离子水洗至pH值为中性,产物在150℃温度进行真空干燥,研磨,得到纯化处理碳纳米管,待用;
3)将经步骤2)纯化处理碳纳米管和质量浓度为68%的硝酸按照质量∶体积=1.0g∶100ml的比例进行混合,混合物超声1h后,60℃下搅拌冷凝回流2h,冷却,去离子水稀释,微孔滤膜减压抽滤,洗涤至中性,产物在100℃下真空干燥,粉碎,得到酸化处理碳纳米管;
4)将经步骤3)酸化处理碳纳米管、0.2ml/L的NaOH按照1g∶800ml的比例在容器中混合,超声震荡,得到酸化处理碳纳米管表面的羧基转换成钠盐形式的悬浮液,在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质溴代正丁烷10ml及相转移催化剂四丁基溴化胺1.0ml,超声分散,80℃下回流加热搅拌3h,静置冷却;再加入质量浓度99.5%的氯仿35ml溶解沉淀,用用0.28μm滤膜抽滤,回收滤渣,滤液中加入质量浓度99.5%的无水乙醇12ml,析出黑色沉淀,100℃下真空烘箱中干燥,粉碎,研磨,得到酯化处理碳纳米管;
5)将聚偏氟乙烯粘结剂(PVDF900)倒入N-甲基吡咯烷酮溶剂中,N-甲基吡咯烷酮溶剂重量为聚偏氟乙烯粘结剂重量的18倍,搅拌至完全溶解,然后加入磷酸铁锂、酸化处理碳纳米管、酯化处理碳纳米管和乙炔炭黑,磷酸铁锂∶酸化处理碳纳米管∶酯化处理碳纳米管∶乙炔炭黑∶聚偏氟乙烯粘结剂的重量比为93g∶0.9g∶0.6g∶1.5g∶4g,搅拌混合成均匀混合浆料,得到用于锂离子电池的磷酸铁锂正极材料。本例混合浆料的固含量为50%,粘度为7000mps。
将得到的混合浆料在100℃下真空干燥,除去N-甲基吡咯烷酮溶剂,在模具中压制成型,制得锂离子电池磷酸铁锂正极材料样品,并测试其电导率和体积电阻率(见表1)。
实施例2
1)将碳纳米管放入球磨机中,在300rpm的转速下,球磨1h,然后放入气流磨中用气流处理,得到预处理碳纳米管,收集备用;
2)将步骤1)预处理的碳纳米管、5mol/L的盐酸和6mol/L的稀硝酸按照1g∶50ml∶50ml的比例在容器中搅拌混合,在300rpm的转速下搅拌,再超声处理3h,减压抽滤,用去离子水洗至pH值为中性,产物在120℃温度进行真空干燥,研磨,得到纯化处理碳纳米管,待用;
3)将经步骤2)纯化处理碳纳米管和质量浓度为68%的硝酸按照质量∶体积=1.0g∶200ml的比例进行混合,混合物超声1.5h后,80℃下搅拌冷凝回流3h,冷却,去离子水稀释,微孔滤膜减压抽滤,洗涤至中性,产物在100℃下真空干燥,粉碎,得到酸化处理碳纳米管;
4)将聚偏氟乙烯粘结剂(PVDF900)倒入N-甲基吡咯烷酮溶剂中,N-甲基吡咯烷酮溶剂重量为聚偏氟乙烯粘结剂重量的20倍,搅拌至完全溶解,然后加入磷酸铁锂、纯化处理碳纳米管、酸化处理碳纳米管和导电石墨,磷酸铁锂∶纯化处理碳纳米管∶酸化处理碳纳米管∶导电石墨∶聚偏氟乙烯粘结剂的重量比为92g∶1g∶1g∶2g∶4g,搅拌混合成均匀混合浆料,得到用于锂离子电池的磷酸铁锂正极材料。本例混合浆料的固含量为40%,粘度为7500mps。
将得到的混合浆料在100℃下真空干燥,除去N-甲基吡咯烷酮溶剂,在模具中压制成型,制得锂离子电池磷酸铁锂正极材料样品,并测试其电导率和体积电阻率(见表1)。
实施例3
1)将碳纳米管放入球磨机中,在500rpm的转速下,球磨1h,然后放入气流磨中用气流处理,得到预处理碳纳米管,收集备用;
2)将步骤1)预处理的碳纳米管、2.5mol/L的盐酸和2.5mol/L的稀硝酸按照1g∶100ml∶100ml的比例在容器中搅拌混合,在400rpm的转速下搅拌,再超声处理1h,减压抽滤,用去离子水洗至pH值为中性,产物在135℃温度进行真空干燥,研磨,得到纯化处理碳纳米管,待用;
3)将经步骤2)纯化处理碳纳米管和质量浓度为68%的硝酸按照质量∶体积=1.0g∶400ml的比例进行混合,混合物超声2h后,100℃下搅拌冷凝回流4h,冷却,去离子水稀释,微孔滤膜减压抽滤,洗涤至中性,产物在100℃下真空干燥,粉碎,得到酸化处理碳纳米管;
4)将经步骤3)酸化处理碳纳米管、0.5ml/L的NaOH按照1g∶600ml的比例在容器中混合,超声震荡,得到酸化处理碳纳米管表面的羧基转换成钠盐形式的悬浮液,在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质十八烷基胺20ml及相转移催化剂二乙基乙醇基氯化铵3ml,超声分散,80℃下回流加热搅拌3h,静置冷却;再加入质量浓度99.5%的氯仿50ml溶解沉淀,用用0.28μm滤膜抽滤,回收滤渣,滤液中加入质量浓度99.5%的无水乙醇15ml,析出黑色沉淀,100℃下真空烘箱中干燥,粉碎,研磨,得到酯化处理碳纳米管;
5)将聚偏氟乙烯粘结剂(PVDF900)倒入N-甲基吡咯烷酮溶剂中,N-甲基吡咯烷酮溶剂重量为聚偏氟乙烯粘结剂重量的12倍,搅拌至完全溶解,然后加入磷酸铁锂、预处理碳纳米管、酯化处理碳纳米管和乙炔炭黑,磷酸铁锂∶预处理碳纳米管∶酯化处理碳纳米管∶乙炔炭黑∶聚偏氟乙烯粘结剂的重量比为92.5g∶0.6g∶0.9g∶2g∶4g,搅拌混合成均匀混合浆料,得到用于锂离子电池的磷酸铁锂正极材料。本例混合浆料的固含量为70%,粘度为6000mps。
将得到的混合浆料在100℃下真空干燥,除去N-甲基吡咯烷酮溶剂,在模具中压制成型,制得锂离子电池磷酸铁锂正极材料样品,并测试其电导率和体积电阻率(见表1)。
表1为实施例1-3制备的磷酸铁锂正极材料,以及纯磷酸铁锂材料和常见的在磷酸铁锂材料中添加3%wt导电炭黑的磷酸铁锂材料的导电率和体积电阻率检测结果。
从表1中可以看出,各实施例制备的磷酸铁锂正极材料具有优异的导电性能。与常见的在磷酸铁锂材料中添加3%wt导电炭黑的磷酸铁锂材料相比较,导电率都有约10倍的提高。
表1
样品   电导率(s/cm) 体积电阻率(Ω·cm)
 纯磷酸铁锂   4.3x10<sup>-9</sup>   2.3x10<sup>+8</sup>
 仅添加3%wt导电炭黑   3.12x10<sup>-3</sup>   320.00
 实施例1   4.16x10<sup>-2</sup>   24.03
 实施例2   3.51x10<sup>-2</sup>   28.50
 实施例3   1.81x10<sup>-2</sup>   55.40

Claims (6)

1.锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)碳纳米管预处理:将碳纳米管在球磨机中,于200-500rpm的转速下,球磨1h,然后在气流磨中用气流处理,收集备用;
2)碳纳米管纯化处理:将步骤1)预处理的碳纳米管、1-5mol/L的盐酸和1-6mol/L的稀硝酸按照1g∶50-200ml∶50-200ml的比例在容器中搅拌混合,超声处理,抽滤,用去离子水洗至pH值为中性,干燥,研磨,待用;
3)碳纳米管酸化处理:将经步骤2)纯化处理碳纳米管和质量浓度为68%的硝酸按照质量∶体积=1.0g∶100-400ml的比例进行混合,混合物超声1-2h后,60-100℃下搅拌冷凝回流2-4h,冷却,去离子水稀释,微孔滤膜减压抽滤,洗涤至中性,干燥,粉碎,得到酸化处理碳纳米管;
4)碳纳米管酯化处理:将经步骤3)酸化处理碳纳米管、0.1-0.6mol/L的NaOH按照1g∶600-800ml的比例在容器中混合,超声震荡,得到酸化处理碳纳米管表面的羧基转换成钠盐形式的悬浮液,在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质5-20ml及相转移催化剂1-4ml,超声分散,80℃下回流加热搅拌1-3h,静置冷却;再加入质量浓度99.5%的氯仿35-50ml溶解沉淀,用滤膜抽滤,回收滤渣,滤液中加入质量浓度99.5%的无水乙醇10-15ml,析出黑色沉淀,干燥,粉碎,研磨,得到酯化处理碳纳米管;
5)将聚偏氟乙烯粘结剂倒入N-甲基吡咯烷酮溶剂中,N-甲基吡咯烷酮溶剂重量为聚偏氟乙烯粘结剂重量的12-22倍,搅拌至完全溶解,然后加入磷酸铁锂、碳纳米管和导电剂,其中的碳纳米管为经过预处理、纯化处理、酸化处理和酯化处理的至少一种处理的碳纳米管,磷酸铁锂∶碳纳米管∶导电剂∶聚偏氟乙烯粘结剂的重量比为0.86~0.958∶0.001~0.02∶0.001~0.05∶0.04~0.06,搅拌混合成均匀混合浆料,得到用于锂离子电池的磷酸铁锂正极材料。
2.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于所说的碳纳米管为多壁碳纳米管,管径为10-50nm,管长为0.5-100μm。
3.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于所说的酯化反应接枝物质为溴代正丁烷、2-氨基-1-丁醇、氨基吡啶、乙二胺、十八烷基胺和二甲基甲酰胺中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于所说的相转移催化剂为四丁基溴化胺、三辛基甲基氯化铵、二乙基乙醇基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、聚乙二醇、4-二甲氨基吡啶和硅烷基季铵盐中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于所说的导电剂为乙炔炭黑、导电石墨、铜粉、银粉和稀土金属粉末中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的高导电性磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于混合浆料的固含量为30%-70%,粘度为6000-8000mps。
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