CN102110814A - 磷酸亚铁锂的制备方法及电池正极 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备磷酸亚铁锂的方法，其包括：(a)将二价铁源化合物水溶液、磷源化合物水溶液和锂源化合物水溶液按Fe∶P∶Li＝1∶1∶2～3的摩尔比均匀混合，得到混合均匀的混合物；(b)向该混合物中加入形貌控制剂，并调节混合物的pH为7-10；(c)将混合物加入反应容器中，并将反应容器置于120-250℃的温度反应2-36小时；(d)冷却至室温，随后过滤、洗涤并在30-120℃的温度烘干，得到磷酸亚铁锂颗粒。利用本发明的方法制备出的磷酸亚铁锂具有规整的形貌，颗粒尺寸分布范围窄甚至是单分散的颗粒，并且具有非常优良的电化学性能，其大电流充放电性能优良，工艺简单，成本低，而且易于实现工业化。

Description

磷酸亚铁锂的制备方法及电池正极
技术领域
本发明涉及一种磷酸亚铁锂的制备方法，进一步涉及使用该方法制备出的磷酸亚铁锂以及含有该磷酸亚铁锂的电池正极。
背景技术
橄榄石结构的磷酸亚铁锂(LiFePO4)具有热稳定、长寿命、原料丰富、环境友好、价格低廉以及安全(过充过放下不会发生爆炸)等突出优点，因而成了目前最具应用前景的新一代二次锂离子电池用正极材料，尤其适合应用于混合电动汽车的大动力电源。然而橄榄石结构同时具有电子导电率低及锂离子扩散速率低的缺点，因此其高倍率性能非常差，从而严重限制了它的商品化应用。
为了解决这个问题，最近十年国内外进行了大量的研究，并提出了一些解决方案，主要有如下三种：(1)在LiFePO4颗粒表面包覆一层导电层，例如碳层、贵金属(例如，银或铜)层以及FexP层等，以达到提高材料电导率的目的；(2)合成纳米尺度(＜100nm)的LiFePO4材料，以缩短Li+的扩散路径，从而达到提高锂离子扩散速率的目的；(3)掺杂阴离子(O2-)或阳离子(Li+或者Fe2+)以提高电导率和离子扩散率。但是，上述解决方案或者代价高昂，或者工序繁琐，或者电导率提高不理想，不能很好地满足市场需求。
有鉴于此，有必要提供一种新型磷酸亚铁锂材料及其制造方法，从而提供更好的锂电池电极材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种成本较低、工序简单且产品性能优良的磷酸亚铁锂材料制造方法。
在一个实施方式中，本发明提供一种制备磷酸亚铁锂的方法，其包括：
(a)将二价铁源化合物水溶液、磷源化合物水溶液和锂源化合物水溶液按Fe∶P∶Li＝1∶1∶2～3的摩尔比均匀混合，得到混合均匀的混合物；
(b)向该混合物中加入形貌控制剂，并调节混合物的pH为7-10；
(c)将混合物加入反应容器中，并将反应容器置于120-250℃的温度反应2-36小时；
(d)冷却至室温，随后过滤、洗涤并在30-120℃的温度烘干，得到磷酸亚铁锂颗粒。
在一个实施例中，步骤(a)中所述的二价铁源化合物选自氯化亚铁、硝酸亚铁、硫酸亚铁、硫酸二铵亚铁、硫酸铵亚铁及醋酸亚铁中的一种。
在一个实施例中，步骤(a)中所述的磷源化合物选自磷酸、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠和磷酸二氢钠中的一种。
在一个实施例中，步骤(a)中所述的锂源化合物选自氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、柠檬酸锂或碳酸锂中的一种。
在一个实施例中，步骤(b)中所述形貌控制剂选自柠檬酸(CA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、乙二醇(EG)和聚乙烯醇(PVA)中的一种。
在优选的实施例中，步骤(b)使用选自氨水、KOH、NaOH、LiOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3和尿素中的一种碱性物质来调节混合物的pH。在优选的实施例中，步骤(c)中的反应容器为水热反应釜。
本发明另一方面提供使用上述方法制备出的磷酸亚铁锂。在发明的又一个方面提供含有上述磷酸亚铁锂的电池正极。
本发明的制造方法工艺简单、温度低，得到的产品纯度高、结晶好，所制备的产品粒度小(＜2μm)而且粒度分布均匀，且具有规整的形貌，颗粒尺寸分布范围窄甚至是单分散的颗粒。通过控制形貌控制剂的类型，可制备出不同形貌的颗粒材料，例如纺锤形、薄片状、纳米棒状、多面体形、立方体形以及空心的形貌，从而为详细研究不同颗粒形貌对材料电化学性能的影响打下基础。电化学研究表明，所合成的LiFePO4正极电极材料的电化学性能受其颗粒形貌的影响较大，特别是对于所制备的空心结构LiFePO4材料，通过大大缩短Li+离子在颗粒间的扩散距离，同时提高电解液和活性材料的接触面积，从而具有非常优良的电化学性能，其大电流充放电性能优良，工艺简单，成本低，而且易于实现工业化。
附图说明
图1是对比实施例1所得产品的SEM图；
图2是本发明实施例2所得产品的SEM图；
图3是本发明实施例3所得产品的SEM图；
图4是本发明实施例4所得产品的SEM图；
图5是本发明实施例5所得产品的SEM图；
图6是本发明实施例6所得产品的SEM图；
图7是实施例1-6的不同颗粒形貌LiFePO4材料在0.1C下的充放电曲线；
图8是实施例1-6的不同颗粒形貌LiFePO4材料不同电流倍率下的循环稳定性图示。
具体实施方式
通常，研究人员通过减少颗粒尺寸来提高LiFePO4的高倍率性能，例如现有技术中通过合成纳米尺度(＜100nm)的LiFePO4材料，以缩短Li+的扩散路径，从而达到提高锂离子扩散速率的目的。本申请的发明人从斜方晶磷酸铁锂晶体结构的各向异性考虑，通过控制特定的颗粒形貌，从而达到改善其倍率性能的目的。理论计算及试验结果表明，电化学反应过程中，Li+离子优先从[010]晶面扩散，因而具有较高比表面积的片状晶体的高倍率性能可得到有效提高。
以下参考具体实施例及附图来描述本发明的特点及优点，但这些实施例仅是说明性和优选的，并不能解释为对本发明的限制。
对比实施例1-末添加形貌控制剂
分别将0.01mol的Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O、0.01mol的NH4H2PO4和0.02molLiOH·H2O搅拌下分别溶解于10ml二次去离子水，然后将三种透明溶液混合，得到浅绿色的混合沉淀物，用碳酸氨水溶液调节混合溶液pH值至7左右，添加二次去离子水至100ml，接着将混合物转移到水热反应容器中，旋紧然后放置于150℃恒温的鼓风干燥箱中，连续反应12小时，然后将水热反应釜从烘箱中取出，放置于空气中自然冷却至室温，经过滤、洗涤、80℃真空干燥。所得材料经XRD分析为纯相的橄榄石LiFePO4结构，空间群为Pnma。SEM(图1)分析得知产物为由许多矩形颗粒组成的束状材料，每个束的尺寸为20-30微米，矩形状的一次颗粒尺寸为1×1×2微米。将所得产物组装成纽扣式半电池，测试其充放电比容量和循环稳定性，其在0.1C下的充放电曲线如图7所示，不同电流倍率下的循环稳定性如图8所示，其中不规则形状是通过现有的一般低温技术得到的颗粒形状。从图7和图8可看出，束状材料的低倍率(0.1C)可逆容量为105mAh/g，1C可逆容量约为70mAh/g，10C可逆容量约为35mAh/g左右。
实施例2
分别将0.01mol的醋酸亚铁、0.01mol的磷酸和0.02mol LiOH·H2O搅拌下分别溶解于10ml二次去离子水，然后将三种透明溶液混合，得到浅绿色的混合沉淀物，然后加入1g PVP，用尿素水溶液调节混合溶液pH值至7左右，添加二次去离子水至100ml，搅拌均匀，接着将混合物转移到水热反应容器中，旋紧然后放置于180℃恒温的鼓风干燥箱中，连续反应12小时，然后将水热反应釜从烘箱中取出，放置于空气中自然冷却至室温，经过滤、洗涤、30℃真空干燥。所得的材料经XRD分析为纯相的橄榄石LiFePO4结构，空间群为Pnma。SEM(图2)分析得知产物为非常均匀纺锤形状的微米颗粒，尺寸为0.5×2微米，而每个纺锤形状的颗粒又是由许多尺寸小于100nm的片状纳米小颗粒组成的。将所得的产物组装成纽扣式半电池，测试其充放电比容量和循环稳定性，其0.1C下的充放电曲线如图7所示，不同电流倍率下的循环稳定性如图8所示。从图7和图8可看出，纺锤形状材料的低倍率(0.1C)可逆容量为125mAh/g左右，1C可逆容量约为88mAh/g左右，10C可逆容量约为55mAh/g左右，而且循环非常稳定。
实施例3
分别将0.01mol的氯化亚铁、0.01mol的磷酸氢二钾和0.03mol硝酸锂搅拌下分别溶解于10ml二次去离子水，然后将三种透明溶液混合，得到浅绿色的混合沉淀物，然后加入20ml乙二醇，用NaOH水溶液调节混合溶液pH值至9左右，添加二次去离子水至100ml，搅拌均匀，接着将混合物转移到水热反应容器中，旋紧然后放置于200℃恒温的鼓风干燥箱中，连续反应24小时，然后将水热反应釜从烘箱中取出，放置于空气中自然冷却至室温，经过滤、洗涤、80℃真空干燥。所得的材料经XRD分析为纯相的橄榄石LiFePO4结构，空间群为Pnma。TEM(图3)分析得知产物颗粒大部分具有纳米棒的形貌，纳米棒的直径大约为100-200nm，长度约为2微米。除了纳米棒状颗粒，还存在部分尺寸为200-500nm的橄榄形状纳米颗粒。将所得的产物组装成纽扣式半电池，测试其充放电比容量和循环稳定性，其0.1C下的充放电曲线如图7所示，不同电流倍率下的循环稳定性如图8所示。从图7和图8可看出，纳米棒形状材料的低倍率(0.1C)可逆容量为100mAh/g左右，1C可逆容量约为75mAh/g左右，10C可逆容量约为50mAh/g左右，而且循环稳定。
实施例4
分别将0.01mol的硝酸亚铁、0.01mol的磷酸和0.03mol LiOH·H2O搅拌下分别溶解于10ml二次去离子水，然后将三种透明溶液混合，得到浅绿色的混合沉淀物，然后加入2g柠檬酸，用碳酸铵调节混合物pH值至8左右，然后添加二次去离子水至100ml，搅拌均匀，接着将混合物转移到水热反应容器中，旋紧然后放置于220℃恒温的鼓风干燥箱中，连续反应24小时，然后将水热反应釜从烘箱中取出，放置于空气中自然冷却至室温，经过滤、洗涤、60℃真空干燥。所得的材料经XRD分析为纯相的橄榄石LiFePO4结构，空间群为Pnma。SEM(图4)分析得知产物为非常均匀的多面体微米颗粒，尺寸为2-3微米，详细分析发现，大部分颗粒为六方形的片状晶体，少部分具有立方体、菱形以及切角六方体的形貌。将所得的产物组装成纽扣式半电池，测试其充放电比容量和循环稳定性，其0.1C下的充放电曲线如图7所示，不同电流倍率下的循环稳定性如图8所示。从图7和图8可看出，片状材料在所有的示例材料中，其充放电极化最小，其低倍率(0.1C)可逆容量为100mAh/g左右，1C可逆容量约为70mAh/g左右，10C可逆容量约为48mAh/g左右，而且循环稳定。
实施例5
分别将0.01mol的Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O、0.01mol的磷酸三铵和0.03molLiOH·H2O搅拌下分别溶解于10ml二次去离子水，然后将三种透明溶液混合，得到浅绿色的混合沉淀物，然后加入0.03mol的柠檬酸，添加二次去离子水至100ml，搅拌均匀，用氨水调节混合溶液pH值至7左右，接着将混合物转移到水热反应容器中，旋紧然后放置于250℃恒温的鼓风干燥箱中，连续反应2小时，然后将水热反应釜从烘箱中取出，放置于空气中自然冷却至室温，经过滤、洗涤、80℃真空干燥。所得的材料经XRD分析为纯相的橄榄石LiFePO4结构，空间群为Pnma。SEM(图5)分析得知产物的颗粒形貌以及尺寸变得不规整，但大部分为尺寸大于5微米的微米片。将所得的产物组装成纽扣式半电池，测试其充放电比容量和循环稳定性，其0.1C下的充放电曲线如图7所示，不同电流倍率下的循环稳定性如图8所示。从图7和图8可看出，微米片状材料的充放点极化非常大，可逆容量比较低，0.1C的可逆容量为50mAh/g左右，1C可逆容量约为38mAh/g左右，10C可逆容量约为25mAh/g左右，但循环很稳定。
实施例6
分别将0.01mol的硫酸亚铁、0.01mol的磷酸钠和0.03mol LiOH·H2O搅拌下分别溶解于10ml二次去离子水，然后将三种透明溶液混合，得到浅绿色的混合沉淀物，然后加入1g柠檬酸，用氨水调节混合溶液pH值至10左右，添加二次去离子水至100ml，搅拌均匀，接着将混合物转移到水热反应容器中，旋紧然后放置于120℃恒温的鼓风干燥箱中，连续反应36小时，然后将水热反应釜从烘箱中取出，放置于空气中自然冷却至室温，经过滤、洗涤、120℃真空干燥。所得的材料经XRD分析为纯相的橄榄石LiFePO4结构，空间群为Pnma。SEM(图6)分析得知产物为非常均匀的椭圆形颗粒，尺寸约为1微米，详细分析发现，几乎所有颗粒均具有空心的结构，电子衍射表明，每个颗粒都是单晶的。将所得的产物组装成纽扣式半电池，测试其充放电比容量和循环稳定性，其0.1C下的充放电曲线如图7所示，不同电流倍率下的循环稳定性如图8所示。从图7和图8可看出，空心结构材料的极化比较小，具有非常突出的可逆充放电容量和高倍率充放电性能。其低倍率(0.1C)可逆容量可达150mAh/g，1C可逆容量可达110mAh/g左右，10C可逆容量保持在50mAh/g以上，而且循环非常稳定，具有非常好的应用前景。

Claims (10)

1.一种制备磷酸亚铁锂的方法，其包括：
(a)将二价铁源化合物水溶液、磷源化合物水溶液和锂源化合物水溶液按Fe∶P∶Li＝1∶1∶2～3的摩尔比均匀混合，得到混合均匀的混合物；
(b)向该混合物中加入形貌控制剂，并调节混合物的pH为7-10；
(c)将混合物加入反应容器中，并将反应容器置于120-250℃的温度反应2-36小时；
(d)冷却至室温，随后过滤、洗涤并在30-120℃的温度烘干，得到磷酸亚铁锂颗粒。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中所述的二价铁源化合物选自氯化亚铁、硝酸亚铁、硫酸亚铁、硫酸二铵亚铁、硫酸铵亚铁及醋酸亚铁中的一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中所述的磷源化合物选自磷酸、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠和磷酸二氢钠中的一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中所述的锂源化合物选自氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、柠檬酸锂或碳酸锂中的一种。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)中所述形貌控制剂选自柠檬酸(CA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、乙二醇(EG)和聚乙烯醇(PVA)中的一种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)使用选自氨水、KOH、NaOH、LiOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3和尿素中的一种碱性物质来调节混合物的pH。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)中的反应容器为水热反应釜。
8.根据权利要求1的方法制备出的磷酸亚铁锂。
9.如权利要求8所述的磷酸亚铁锂，其特征在于，所述磷酸亚铁锂的颗粒具有纺锤形、薄片状、纳米棒状、多面体形、立方体形或空心的形貌。
10.一种电池正极，其含有权利要求8所述的磷酸亚铁锂。
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