CN101740756A - 一种纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,利用水热法结合反应条件的控制来制备纳米级LiFePO4。将含Li+的溶液、含Fe2+的溶液、含PO4 3-的磷酸或磷酸盐溶液、聚乙二醇充分搅拌,然后放置到反应釜的聚四氟乙烯或搪瓷内衬中加热反应;将反应釜中所得产物进行抽滤,经过两次干燥得到纳米级的LiFePO4。本发明合成的纳米级LiFePO4具有高的比表面积,高的结晶度,高分散性和窄粒径分布的特点,用于动力电池正极材料,能够提高锂离子电池中Li+的传输率。
Description
技术领域
本发明属于动力电池材料技术领域,涉及锂离子电池纳米级正极材料,特别是一种纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法。
背景技术
随着传统能源不可再生性的巨量消耗和使用过程中越来越严重的污染环境问题,世界范围对于清洁能源极为关注。目前的清洁能源包括核能、太阳能、风能、水能及生物能。从自然界中获取清洁能源已经成为正在使用中的技术,而获取后的能源如何来储存和使用将是目前最大的问题。
石油的消耗量是所有矿物能源中最大的,当前全球汽车需求的石油占石油消耗总量的一半以上,同时全球大气污染42%以上来源于交通车辆的污染。因此全世界对于电动车(EV)和油电混合动力车(HEV)的研发和推广都投入了大量的资金,而作为电动车的动力来源-动力电池的研发更显得尤为关键。锂离子电池以其无记忆、高能量密度、长使用寿命、高安全性、宽工作温区和低污染性而成为动力汽车用电池的首选。
锂离子电池的组成为正极材料、负极材料,隔膜和电解液,其中正极材料是锂离子电池的核心部分。目前可以作为锂离子电池正极材料的有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNixCoyMnzO2和LiFePO4;当前商品化的锂离子电池中主要以LiCoO2为正极材料。
LiCoO2材料具有高的克容量(270mA·h/g),但是由于其结构不稳定,当过充或过放电时,会有过量的锂离子聚集在负极,在负极上形成晶枝,长尖晶枝会造成电池隔膜被刺破,所以LiCoO2为正极材料的锂电池出现爆炸的概率较大;此外Co元素不但稀缺,而且具有毒性。因此LiCoO2不适合被大批量的应用用于动力电池,一般以LiCoO2为正极材料的锂电池用在移动通讯,便携式小电器及小型电动工具上。
LiNiO2在充电过程中Ni3+较容易被电解液还原,从而导致O2放出,同样会导致电池的不安全。LiMn2O4虽然具有稳定的结构,避免了晶枝的产生,但是Mn具有多种价态(包括+2,+3,+4,+7),很容易和电解液反应,造成其容量的衰减。三元材料LiNixCoyMnzO2虽然具有较好的稳定性和克容量,但是其中含有Co,同样具有污染环境和原料稀缺的问题。
锂离子电池正极材料中LiFePO4受到产业界的大量关注,LiFePO4具有较高的放电平台(高达3.43V),同时原料丰富,对环境无污染;更重要的是和其它锂电池正极材料相比,其具有最好热稳定性和化学稳定性,即其安全性是最高的,因此LiFePO4是最适合应用于动力电池的正极材料。
目前LiFePO4存在的技术问题就是:在大电流充放电时电容量会大幅度下降。主要原因就是LiFePO4中的电子传输率和离子扩散率较低,一般的方法是通过在LiFePO4颗粒表面包覆碳以提高其电子传输率,通过掺杂过渡金属提高其离子扩散率。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,利用水热法结合反应条件的控制来制备纳米级LiFePO4,以提高锂离子电池Li+的传输率。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,包括以下步骤:
1)将含Li+的溶液和含Fe2+的溶液按照摩尔比为Li∶Fe=0.95~3.2∶0.9~1.1的比例混合;然后按照摩尔比为Li∶P=0.95~3.2∶0.95~1.2的比例加入含PO4 3-的磷酸或磷酸盐溶液;再按照摩尔比为Li∶聚乙二醇=1~5∶0.01的比例加入聚乙二醇,充分搅拌;
2)搅拌完成后,将混合溶液放置到反应釜的聚四氟乙烯或搪瓷内衬中,以1~5℃/min的升温速度自室温升温到160~200℃,保温12~20h;然后以2~3℃/min的降温速度降到室温;
3)将反应釜中所得产物进行抽滤,并用去离子水洗涤4~6次;
4)第一次干燥:将抽滤所得膏状物动态干燥一次;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,在还原性保护气氛下于300~400℃静态干燥1~2h;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
所述的含Li+的溶液为LiOH、LiNO3、LiCl、LiF、LiBr、LiI或LiCH2COOH·2H2O溶液。
所述的含Fe2+的溶液为FeSO4·7H2O或FeC2O4溶液。
所述的含PO4 3-的磷酸盐溶液为NH4H2PO4或(NH4)2HPO4溶液。
所述的充分搅拌为磁力搅拌1~5h。
所述的混合溶液在反应釜内衬中的填充率为60%~80%。
所述的第一次干燥是将抽滤所得膏状物于180℃~200℃喷雾干燥;或者是将抽滤所得膏状物于-20℃~-30℃冷冻干燥;或者是将抽滤所得膏状物于110℃~120℃共沸干燥。
所述的还原性保护气氛是干燥的N2/H2混合气体,按体积比计N2∶H2=9~3∶1;干燥过程中保持干燥箱内为正压。
所述的还原性保护气氛是干燥的Ar/H2混合气体,按体积比计Ar∶H2=9~3∶1;干燥过程中保持干燥箱内为正压。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
由于锂离子电池中Li+的传输率其实就是Li+在LiFePO4颗粒中的扩散率,减小LiFePO4颗粒的体积能够缩短Li+的扩散距离,本发明通过精确控制材料的合成条件,以水热法制备了纳米级LiFePO4;
本发明合成的纳米级LiFePO4具有高的比表面积,高的结晶度,高分散性和窄粒径分布的特点,用于动力电池正极材料,能够提高锂离子电池中Li+的传输率。
附图说明
图1是本发明制备的纳米级LiFePO4的X-射线衍射谱图(XRD谱图);横坐标是衍射角度2θ,纵坐标是相对衍射强度。
图2是本发明制备的纳米级LiFePO4的低倍扫描电镜图(SEM图)。
具体实施方式
水热法是一种制备高结晶度纳米材料的有效方法,纳米级的无氧材料一般都需要通过水热法来合成。本发明采用水热合成法合成的LiFePO4具有高的比表面积,高的结晶度,高分散性和窄粒径分布的特点。下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
1)分别用200ml去离子水溶解3mol LiOH·H2O、1mol FeSO4·7H2O、1mol H3PO4和0.01mol聚乙二醇(分子量为10000);
首先将LiOH·H2O溶液和FeSO4·7H2O溶液混合,然后加入H3PO4溶液,最后再加入聚乙二醇溶液;混合四种溶液后,磁力搅拌1h;
2)搅拌完成后,将混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,混合溶液在反应釜中的填充率为60%,锁紧反应釜的钢套;以1℃/min的升温速度自室温升到160℃,保温12h,然后以2℃/min的降温速度降到室温;
3)将反应釜所得产物进行抽滤,并用去离子水洗涤4次;
4)第一次干燥:将抽滤所得的膏状物料放入去离子水中,然后磁力搅拌形成悬浮液,于200℃喷雾干燥;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,然后在N2/H2=9∶1(体积比)的保护气体中,于300℃温度下静态干燥1h;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
实施例2
1)分别用200ml去离子水溶解1.5mol LiCl、0.9mol FeSO4·7H2O、0.95mol H3PO4和0.01mol聚乙二醇(PEG)(分子量为10000);
首先将LiOH·H2O溶液和FeSO4·7H2O溶液混合,然后加入H3PO4溶液,最后再加入聚乙二醇溶液;混合四种溶液后,磁力搅拌1h;
2)搅拌完成后,将混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,混合溶液在反应釜中的填充率为80%,锁紧反应釜的钢套;以1℃/min的升温速度自室温升到200℃,保温20h,然后以2℃/min的降温速度降到室温;
3)将所得产物进行抽滤,用去离子水洗涤6次,
4)第一次干燥:将抽滤所得的膏状物于-20℃冷冻干燥;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,然后在Ar/H2=9∶1(体积比)的保护气体中,于400℃温度下干燥箱静态干燥2h,干燥过程中保持干燥箱内为正压;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
实施例3
1)分别用200ml去离子水溶解0.95mol LiNO3、0.9mol FeSO4·7H2O、0.95mol H3PO4和0.01mol聚乙二醇(PEG)(分子量为10000);
首先将LiNO3溶液和FeSO4·7H2O溶液混合,然后加入H3PO4溶液,最后再加入聚乙二醇溶液;混合四种溶液后,磁力搅拌5h;
2)搅拌完成后,将混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,混合溶液在反应釜中的填充率为60%,锁紧反应釜的钢套;以1℃/min的升温速度自室温升到200℃,保温20h,然后以3℃/min的降温速度降到室温;
3)将所得产物进行抽滤,用去离子水洗涤6次,
4)第一次干燥:将抽滤所得膏状物料溶于正丁醇中,于120℃共沸干燥;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,然后在Ar/H2=3∶1(体积比)的保护气体中,于400℃温度下干燥箱静态干燥2h,干燥过程中保持干燥箱内为正压;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
实施例4
分别用200ml去离子水溶解2.5mol LiCH2COOH·2H2O、1.1mol FeSO4·7H2O、1mol NH4H2PO4和0.01mol聚乙二醇(PEG)(分子量为40000);
首先将LiCH2COOH·2H2O溶液和FeSO4·7H2O溶液混合,然后加入NH4H2PO4溶液,最后再加入聚乙二醇溶液;混合四种溶液后,磁力搅拌3h;
2)搅拌完成后,,将混合溶液放入反应釜的搪瓷内衬中,混合溶液在反应釜中的填充率为80%,锁紧反应釜的钢套;以4℃/min的升温速度自室温升到160℃,保温18h,然后以2℃/min的降温速度降到室温;
3)将所得产物进行抽滤,去离子水洗涤5次;
4)第一次干燥:将抽滤所得膏状物料溶于去离子水中形成悬浮液,于180℃喷雾干燥;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,然后在Ar/H2=5∶1(体积比)的保护气体中,于350℃温度下干燥箱静态干燥1.5h,干燥过程中保持干燥箱内为正压;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
实施例5
分别用250ml去离子水溶解2mol LiF、1mol FeC2O4、1.2mol (NH4)2HPO4和0.01mol聚乙二醇(PEG,分子量8000)。
首先将LiF溶液和FeC2O4溶液混合,然后加入(NH4)2HPO4溶液,最后再加入聚乙二醇溶液;混合四种溶液后,磁力搅拌1h;
2)搅拌完成后,将将混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,混合溶液在反应釜中的填充率为75%,锁紧反应釜的钢套;以5℃/min的升温速度自室温升到200℃,保温18h,然后以2℃/min的降温速度降到室温;
3)将反应釜所得产物进行抽滤,去离子水洗涤4次;
4)第一次干燥:将抽滤所得的膏状物溶于正丁醇中,于110℃共沸干燥;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,然后在N2/H2=3∶1(体积比)的保护气体中,于400℃温度下干燥箱静态干燥2h,干燥过程中保持干燥箱内为正压;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
实施例6
1)分别用200ml去离子水溶解2mol LiBr、1mol FeC2O4、1mol NH4H2PO4和0.01mol聚乙二醇(PEG)(分子量为10000);
首先将LiBr溶液和FeC2O4溶液混合,然后加入NH4H2PO4溶液,最后再加入聚乙二醇溶液;混合四种溶液后,磁力搅拌1h;
2)搅拌完成后,将混合溶液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,混合溶液在反应釜中的填充率为70%,锁紧反应釜的钢套;以1℃/min的升温速度自室温升到200℃,保温20h,然后以2.5℃/min的降温速度降到室温;
3)将所得产物进行抽滤,洗涤6次;
4)第一次干燥:将抽滤所得的膏状物于-30℃冷冻干燥;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,然后在N2/H2=6∶1(体积比)的保护气体中,于360℃温度下干燥箱静态干燥2.4h,干燥过程中保持干燥箱内为正压;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
对本发明制备的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4做以下检测:
1、本发明制备的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的X-射线衍射谱图如图1所示,可以看出本发明制备的LiFePO4物相纯,晶化完整;
2、本发明制备的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的低倍扫描电镜图如图2所示,可以看出本发明制备的LiFePO4形貌均一,粒径规则;具有纳米材料所具有的高的比表面积,高的结晶度,高分散性和窄粒径分布的特点。
由于锂离子电池中Li+的传输率其实就是Li+在LiFePO4颗粒中的扩散率,减小LiFePO4颗粒的体积能够缩短Li+的扩散距离,本发明制备的纳米级LiFePO4用于动力电池正极材料,能够提高锂离子电池中Li+的传输率。
Claims (9)
1.一种纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将含Li+的溶液和含Fe2+的溶液按照摩尔比为Li∶Fe=0.95~3.2∶0.9~1.1的比例混合;然后按照摩尔比为Li∶P=0.95~3.2∶0.95~1.2的比例加入含PO4 3-的磷酸或磷酸盐溶液;再按照摩尔比为Li∶聚乙二醇=1~5∶0.01的比例加入聚乙二醇,充分搅拌;
2)搅拌完成后,将混合溶液放置到反应釜的聚四氟乙烯或搪瓷内衬中,以1~5℃/min的升温速度自室温升温到160~200℃,保温12~20h;然后以2~3℃/min的降温速度降到室温;
3)将反应釜中所得产物进行抽滤,并用去离子水洗涤4~6次;
4)第一次干燥:将抽滤所得膏状物动态干燥一次;
第二次干燥:收集第一次干燥所得产物,在还原性保护气氛下于300~400℃静态干燥1~2h;得到纳米级的动力电池正极材料LiFePO4。
2.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的含Li+的溶液为LiOH、LiNO3、LiCl、LiF、LiBr、LiI或LiCH2COOH·2H2O溶液。
3.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的含Fe2+的溶液为FeSO4·7H2O或FeC2O4溶液。
4.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的含PO4 3-的磷酸盐溶液为NH4H2PO4或(NH4)2HPO4溶液。
5.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的充分搅拌为磁力搅拌1~5h。
6.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的混合溶液在反应釜内衬中的填充率为60%~80%。
7.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的第一次干燥是将抽滤所得膏状物于180℃~200℃喷雾干燥;
或者是将抽滤所得膏状物于-20℃~-30℃冷冻干燥;
或者是将抽滤所得膏状物于110℃~120℃共沸干燥。
8.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的还原性保护气氛是干燥的N2/H2混合气体,按体积比计N2∶H2=9~3∶1;干燥过程中保持干燥箱内为正压。
9.如权利要求1所述的纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法,其特征在于:所述的还原性保护气氛是干燥的Ar/H2混合气体,按体积比计Ar∶H2=9~3∶1;干燥过程中保持干燥箱内为正压。
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