CN102364734B - 锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,其锂源、铁源、磷酸根源、锡源、钡源的原料,按照1mol Li∶0.00002-0.00005mol Sn∶0.0003-0.003mol Ba∶1molFe∶1mol P比例混合后,在无水乙醇介质中,转速200r/min高速球磨20h,用105-120℃烘干,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在普通纯氮气气氛中,经500-750℃高温煅烧24h,即得锡、钡活化磷酸铁锂正极材料。由于掺杂少量取代锡、钡,有利于控制产物的形貌和粒径,获得稳定的磷酸铁锂化合物,其晶格得到了活化,提高了锂离子扩散系数,比容量和循环稳定性有较大的提高。

Description

锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法
技术领域
本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,属于一种锂电池正极材料制备方法,特别涉及一种磷酸铁锂电池正极材料制备方法。 
背景技术
目前,磷酸铁锂掺杂改性的研究现况:磷酸铁锂LiFePO4因其无毒、对环境友好、安全性高、原材料来源丰富、比容量高、循环性能稳定、价格低廉,具有170mAh/g的理论容量3.5V的平稳放电平台,磷酸铁锂材料具有高的能量密度、低廉的价格、优异的安全性,特别适用于动力电池。但它电阻率较大。由于磷酸铁锂,常温下,LiFePO4的动力学不好,倍率性能极差,国内外的研究者们使用了诸如包覆、掺杂、纳米化等方法改善倍率性能,基本想法就是提高电导率和缩短离子、电子传输路径。掺杂是一类重要的材料改性方法。2002年,麻省理工Chiang Yet-Ming教授等首次报道锂位掺杂改性可以大大提高LiFePO4电子电导率。他们在锂位进行高价金属离子(Mg2+、Al3+、Ti4+、Zr4+、Nb5+和W6+)固熔体掺杂,电子电导率提高了8个数量级。经过上述掺杂的样品具有较好的电化学性能,特别是大电流性能,在21.5C(3225mA/g)的电流下放电,仍可得到60mAh/g的容量。掺杂碳:碳具有优良的导电性能和较低的质量密度,加人少量的碳,一方面可以改善材料的导电性能,另一方面可以降低材料的粒径尺度。xxx研究了不同阶段掺人碳对材料电化学性能的影响。施志聪等″采用固相反应结合高速球磨法,合成正极材料LiFePO4,实验表明:LiFePO4具有3.4V的放电电压平台,首次放电容量达147mAh/g充放电循环100次后只衰减9.5%。掺碳后的LiFePO4/C复合材料,颗粒形貌规则,为类球形,颗粒小,粒径分布均勾。碳分散于晶体颗粒之间,增强了颗粒之间的电导性。掺碳后的LiFePO4放电比容量和循环性能都得到显著改善。锂位掺杂:LiFePO4糁杂是改善电化学性能的一种重要方法。锂位掺杂能够提高LiFePO4的电导率。谭显艳等″″采用煅烧法合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂,掺入少量的Mg2+显著提高了材料的电导率,提高了LiFePO4的电化学性能。掺杂后,LiFePO4首次放电容量达135.52mAh/g;未掺杂的LiFePO4首次放电容量只有116.25mAh/g。掺杂后的电导率得到了一定的提高。这是由于掺杂少量金属离子取代Li+位置,构成p型半导体,增加了材料的导电性。刘恒等^采用改进的固相法制备了粒子微细、粒径分布均匀的LiFePO4和Li0,98Mn,o.o2LiFePO4化合物,掺杂少量有利于控制产物的形貌和粒径,获得稳定的磷酸铁锂化合物。因为Mn2+八面体配位半径小于Fe2+,可以认为镁离子占据取代锂离子。结果显示:材料中锂离子的充放电平台相对锂电极电位为3.5V左右,初始放电容量超过160mAh/g,50次充放电循环后容量仅衰减5.5%,表明该方法提高了比能量和循环稳定性。铁位惨杂:锂位掺杂虽然可以提高材料的电导率,但是由于掺杂原子会阻碍锂离子在一维通道中的扩散,因而不利于提高材料的高倍率充放电性能。而铁位掺杂可以改善LiFePO4的倍率充放电性能,提高循环性能。刘芳凌等^采用包裹碳提高其表面电子电导率,掺杂金属离子以提高其本体电子电导率。选取了离子半径接近而价态不同的4种金属离子Ca3+,Ti5+,Ta5+,MO6+的Fe位掺杂,掺杂后的样品晶胞体积均有减少,电子电导率比LiFePO4的电子电导率提高了4-6个数量级,并使其在电解质溶液中的阻抗大大减少,电化学性能也明显改善。胡环宇等^采用高温固相反应法合成颗粒 细小均匀的纳米级正极材料LiFePO4,具有良好的容量循环性能,但其高倍率性能差。掺入少量的锰可降低材料的极化,提高材料的高倍率性能。这主要是由于锰的掺杂增大了LiFePO4的晶胞体积,更有利于锂的脱出,另外锰的掺杂导致了烧结过程产生晶体结构缺陷,提高了材料的电子导电性,从而使得材料的高倍率充放电性能有所改善。磷位糁杂:磷位掺杂在理论上是可行的,但很少有单独进行磷位的掺杂。张玉荣等^研究了橄榄石结构Li2+2xTi2-xCu2x(NbO)2,通过Ti和Cu取代P得到了电导率为1.26×10-6S/cm-加,初始放电容量为805.8mAh/g的正极材料。该类材料具有较高的电导率,但是由于Fe全部被Ti和Cu取代,’导致放电电压较低,而且循环性能差。磷位虽然在理论上可行,但研究相对较少。 
经检索,目前记载有关锂电池发明专利申请1043件、锂离子电池发明专利申请2181件,其中有相当数量是有关掺杂的方法的。 
在理论上确认是锂位,还是铁位,还是磷位得到掺杂而起的作用,有关权威专家们,尚有各自不同的高见,还在不断地研究、探索。 
目前较为一致观点是,磷酸铁锂具有安全性好、无污染、循环性能稳定、比容量高和价格低廉等优点,但也存在导电性差和振实密度较低的缺点。导电性差是影响磷酸铁锂应用的最大因素,通过掺杂可将电导率提高,高倍率充放电性能也得到改善,在一定程度上抑制了容量衰减的作用。掺杂途径可提高、改善锂离子正极材料性能,已是公认的一种可行的方式。 
发明内容
本发明的目的在于:基于现有技术的磷酸铁锂正极材料(LiFePO4)的结构限制,存在其导电性差和锂离子扩散系数低的不足,现提出一种锡、钡活化改善其性能的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法。 
本发明鉴于掺杂途径可提高、改善锂离子正极材料性能,已是公认的一种可行的方式。根据钡/锂的化学性质,电学性能,晶体结构特征,是最相近似的元素的特点: 
钡,是碱土金属中最活泼的元素,由于它很活泼,且容易被氧化,应保存在煤油和液体石蜡中。 
电离能5.212电子伏特,第一电离能502.9kJ/mol; 
晶体结构:晶胞为体心立方晶胞,每个晶胞含有2个金属原子; 
晶胞参数:a=502.8pm;b=502.8pm;c=502.8pm;α=90°;β=90°;γ=90°。 
锂,金属元素,可与大量无机试剂和有机试剂发生反应。与氧、氮、硫等均能化合,由于易受氧化而变暗,且密度比煤油小,故应存放于液体石蜡中。 
电离能5.392电子伏特,第一电离能520.2kJ/mol; 
晶体结构:晶胞为体心立方晶胞,每个晶胞含有2个金属原子; 
晶胞参数:a=351pm;b=351pm;c=351pm;α=90°;β=90°;γ=90°。 
认为钡应是最易于起锂位掺杂作用的。本发明是通过钡掺杂进行试验、在用钡掺杂的情况,可再加入1-2个其它元素,构成2元或3元掺杂,以获得性能较好的锂电池正极材料。 
本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料,其特征在于:其化学组成或化学通式可表述为:Li Sn x Bay Fe PO4,x=0.00002-0.00005,y=0.0003-0.003;其中Li、Sn、Ba、Fe、P的mol比为:1mol Li∶0.00002-0.00005mol Sn∶0.0003-0.003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P。 
本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,其锂源、铁源、磷酸根源、锡源、钡源的原料,按照1mol Li∶0.00002-0.00005mol Sn∶0.0003-0.003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P比例混合后,在乙醇介质中,转速200-800r/min高速球磨15-20h,用105-120℃烘干,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在氮气气氛中,经500-750℃高温煅烧16-24h,即得锡、钡活化磷酸铁锂正极材料。其锂源为碳酸锂、氢氧化锂之一,铁源为草酸亚铁,磷酸根源为磷酸二氢铵或磷酸氢二铵之一,锡源为二氧化锡,钡源为碳酸钡、氢氧化钡、氯化钡、硝酸钡、氧化钡、硫化钡之一。 
本发明与现有技术相比的有益效果:本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,所得材料也许由于掺杂少量取代锡、钡,有利于控制产物的形貌和粒径,获得稳定的磷酸铁锂化合物,锡、钡离子占据取代锂离子,其晶格得到了活化,提高了锂离子扩散系数;钡锂位掺杂虽然可以提高材料的电导率,但是由于掺杂离子,会阻碍锂离子在一维通道中的扩散,因而不利于提高材料的高倍率充放电性能。锡掺杂后的产品晶胞体积均有减少,电子电导率比LiFePO4的电子电导率提高,并使其在电解质溶液中的阻抗大大减少,电化学性能也明显改善;其首次放电容量达160.52mAh/g;其充放电平台相对锂电极电位为3.5V左右,初始放电容量超过168mAh/g,100次充放电循环后容量约衰减1.2%左右;比容量和循环稳定性与未掺杂的LiFePO4首次放电容量只有116.25mAh/g相比,有较大的提高。 
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但本发明的实施方式不限于此。以下采用采用煅烧法合成方法,对本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,进行举例说明。 
本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,其锂源可用:碳酸锂、氢氧化锂或磷酸二氢锂等锂盐,铁源可用:草酸亚铁等,磷酸根源可用:磷酸二氢铵或磷酸氢二铵等,锡源为二氧化锡SnO2等,钡源可用:碳酸钡、氢氧化钡、氯化钡、硝酸钡、氧化钡、硫化钡等钡盐。 
选用:碳酸锂(Li2CO3)(99.73%),二氧化锡SnO2(99.8%),碳酸钡(BaCO3)(99.8%),草酸亚铁(FeC2O4.2H2O)(99.06%),磷酸氢二铵(NH4H2PO4)(98%)为原料;按照1mol Li∶0.00002-0.00005mol Sn∶0.0003-0.003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P比例混合后,在乙醇介质中,转速200-800r/min高速球磨15-20h,用105-120℃烘干,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在氮气氛中,经500-750℃高温煅烧16-24h,即得本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料。 
实施例1 
Li2CO3(99.73%),SnO2(99.8%),BaCO3(99.8%),FeC2O4.2H2O(99.06%),NH4H2PO4(98%)原料,按照1mol Li∶0.00002mol Sn∶0.0003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P比例混合后,在无水乙醇(AR)介质中,高速球磨20h(转速200r/min。105-120℃烘干后,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在普通纯氮(>99.5%)气氛中,经500-750℃,高温煅烧24h。即得本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料。 
实施例2 
Li2CO3(99.73%),SnO2,(99.8%),BaCO3(99.8%),FeC2O4.2H2O(99.06%),NH4H2PO4(98%)原料,按照1mol Li∶0.00004mol Sn∶0.001mol Ba∶1mol Fe∶1mol P比例混合后,在无水乙醇(AR)介质中,高速球磨20h(转速200r/min。105-120℃烘干后,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在普通纯氮(>99.5%)气氛中,经500-750℃,高温煅烧24h。即得本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料。 
实施例3 
Li2CO3(99.73%),SnO2(99.8%),BaCO3(99.8%),FeC2O4.2H2O(99.06%),NH4H2PO4(98%)原料,按照1mol Li∶0.00005mol Sn∶0.003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P比例混合后,在无水乙醇(AR)介质中,高速球磨20h(转速200r/min。105-120℃烘干后,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在普通纯氮(>99.5%)气氛中,经500-750℃,高温煅烧24h。即得本发明的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料。 
实施例4(不参杂对照) 
将Li2CO3(99.73%),FeC2O4.2H2O(99.06%),NH4H2PO4(98%)原料,按照1molLi∶1mol Fe∶1mol P比例混合后,在无水乙醇(AR)介质中,高速球磨20h(转速200r/min。105-120℃烘干后,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在普通纯氮(>99.5%)气氛中,经500-750℃,高温煅烧24h。即得锂离子正极材料。 
采用现有技术的测试设备及现有技术的测试方法,对以上实施例1-3的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料,与不参杂的对照实施例4进行测试结果为: 
本发明实施例1-3的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料,首次放电容量达155.52mAh/g以上;未掺杂的LiFePO4首次放电容量只有116.25mAh/g以内。 
本发明实施例1-3的钡活化磷酸铁锂正极材料,其充放电平台相对锂电极电位为3.5V左右,初始放电容量超过164mAh/g,100次充放电循环后容量约衰减3.0%左右。 
本发明的钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,掺杂后杂,所得材料比容量和循环稳定性的提高,这是也许由于掺杂少量取代锡、钡,有利于控制产物的形貌和粒径,获得稳定的磷酸铁锂化合物,钡离子占据取代锂离子,其晶格得到了活化,提高了锂离子扩散系数;钡锂位掺杂虽然可以提高材料的电导率,但是由于掺杂离子,会阻碍锂离子在一维通道中的扩散,因而不利于提高材料的高倍率充放电性能。而铁位掺杂可以改善LiFePO4的倍率充放电性能,提高循环性能。锡掺杂后的产品晶胞体积均有减少,电子电导率比LiFePO4的电子电导率提高,并使其在电解质溶液中的阻抗大大减少,电化学性能也明显改善;其首次放电容量达155.52mAh/g;其充放电平台相对锂电极电位为3.5V左右,初始放电容量超过164mAh/g,100次充放电循环后容量约衰减3.0%左右;比容量和循环稳定性与未掺杂的LiFePO4首次放电容量只有116.25mAh/g相比,有较大的提高。是由于掺杂少量取代锡、钡,有利于控制产物的形貌和粒径,获得稳定的磷酸铁锂化合物,其晶格得到了活化,提高了锂离子扩散系数的结果。 

Claims (2)

1.一种锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,其特征在于:其锂源、铁源、磷酸根源、锡源、钡源的原料,按照1mol Li∶0.00002-0.00005mol Sn∶0.0003-0.003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P比例混合后,在乙醇介质中,转速200-800r/min高速球磨15-20h,用105-120℃烘干,得到前驱体,将烘干得到的前驱体置于高温炉内,在氮气气氛中,经500-750℃高温煅烧16-24h,即得锡、钡活化磷酸铁锂正极材料。 
2.根据权利要求1所述的锡、钡活化磷酸铁锂正极材料制备方法,其特征在于:其锂源为碳酸锂、氢氧化锂之一,铁源为草酸亚铁,磷酸根源为磷酸二氢铵或磷酸氢二铵之一,锡源为二氧化锡,钡源为碳酸钡、氢氧化钡、氯化钡、硝酸钡、氧化钡、硫化钡之一。 
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