CN102522550A - 一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂及其制备方法，其化学表达式为：LiFe_1-xTa_xPO₄/C，其中0＜x≤0.2，C的质量百分比为1～10％；通过钽的掺杂使材料电化学性能优良，尤其是在大电流密度下容量衰减极小，并且振实密度比较高。本发明提供的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法可以采用三氧化二铁为铁源，碳源化合物在物料前驱体中加入，一部分用来还原三价铁，多余的还原碳直接包覆在LiFePO₄颗粒上，不需要后期的包覆处理即可改善材料的导电性，方法简单，成本较低，适合工业化生产。

Description

一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂及其制备方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂及其制备方法。

背景技术

自1991年锂离子电池问世以来，其正极材料一直是材料研究的热点。目前的研究主要集中在含锂过渡金属氧化物方面，过渡金属主要为镍、钻、锰。近年来，由于铁在地壳中含量丰富，价格便宜，与环境友好，基于Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的物质引起了人们极大的兴趣，所以人们竞相研究含铁的锂盐，以其取代当前的正极材料。

1999年美国Texas大学的J.B.Goodenough等人获得US PatentNo.591382de锂电池正极磷酸铁锂材料的专利权，以0.05mA/cm²的小电流放电，容量为110mAh/g，远未达到170mAh/g的理论容量，原因是磷酸铁锂电子和离子电导率低。为解决此问题，N.Ravet和M.Armand等人采用碳包覆、金属掺杂和磷位替代的方法大大提高磷酸铁锂电导率。2002年美国麻省理工学院的Yet-Ming Chiang等申请专利US2004/005265A1，在锂位掺杂+2以上金属离子可以大幅度提高电子导电率，从而提高了磷酸铁锂的倍率特性。以上为动力锂离子电池中的应用提供理论基础。

Sony公司采用Li₃PO₄和Fe₃(PO)₄-8H₂O为原料，加入无定形碳黑或碳前驱体一起球磨，于900℃以下制备磷酸铁锂。该方法最大的优点是尾气中只有水排出，产率高，但需要先制备磷酸亚铁前驱体，而且如果要掺杂其他元素，需按比例另加入磷酸才能保持各元素计量比的平衡。

基于高温碳热还原合成技术，美国Valence Technology Inc.公司用廉价的草酸亚铁等三价铁源，在原材料混合时加入重量比100％过量，以三价铁被碳黑还原为二价铁的用量计的无定形碳黑制备磷酸铁锂。

现有技术一般采用固相法或湿化学方法制备正极活性物质LiFePO₄，例如CN1401559A公开了一种磷酸铁锂(LiFePO₄)的制备方法，该方法将锂盐、亚铁盐和磷酸盐研磨混合均匀后高温锻烧，煅烧完毕后加入导电剂研磨混合制得磷酸铁锂。但是，采用固相法时，各种固体成分很难充分混合，因此得到的磷酸铁锂正极活性物质中各种成分尤其是导电剂分散不均匀，直接影响正极活性物质的导电性。

到目前为止，关于材料的合成方法有很多的报道，研究较多也最有可能实现工业化的是高温固相法，但是磷酸铁锂有其固有的缺点，如锂离子扩散系数低、电导率差等，所以常规的方法制备出的材料电化学性能不佳、粒径分布不均匀、振实密度较低等弱点，如大倍率下材料容量衰减严重、振实密度只有1.0g/ml。为了改善材料的性能，一般是对其进行掺杂或包覆，如C包覆(CN101172599、CN101442117、CN101764205A、CN101777636A)、过渡金属掺杂(CN1785799)、稀土掺杂(CN1830764、CN101630738)等等，以上方法可以在一定程度上提高磷酸铁锂的性能，但性能的提高都不是太显著。尤其在选择稀土元素，通常是常见的稀土，但化合价变化多，导致在反应和产品充放电过程中容易歧化，其磷酸铁锂的性能显著下降。

发明内容

本发明针对当前材料制备方法的不足，提供一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂及其制备方法，此方法制备的材料电化学性能优良，尤其是在大电流密度下容量衰减极小，并且此产物的振实密度比较高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂，其化学表达式为：LiFe_1-xTa_xPO₄/C，其中0＜x≤0.2，C的质量百分比为1～10％。

一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，包括以下步骤：

1)按摩尔比Li∶Fe∶Ta∶P＝1∶1-x∶x∶1的比例，将用于制备磷酸亚铁锂的铁源化合物、锂源化合物、磷源化合物和钽的氧化物充分研磨混合，得到混合物A，其中0＜x≤0.2；

2)将混合物A与还原性碳源化合物充分混合得到前躯体，其中碳的质量为混合物A质量的10～20％；

3)将前躯体在惰性气氛下，加热至100～150℃恒温2～5h，再加热至350～600℃恒温3～6h，随炉降温后取出研磨并压紧；

4)压紧后在惰性气氛下，升温至500～900℃，恒温焙烧5～15h，随炉降温至室温，得到钽掺杂覆碳磷酸铁锂。

所述的锂源化合物为碳酸锂、磷酸二氢锂或氟化锂，铁源化合物为三氧化二铁、四氧化三铁、草酸亚铁、草酸铁、磷酸铁、磷酸亚铁中的一种或几种；所述的磷源化合物为磷酸、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸二氢铵中的一种或几种。

所述的混合物A的制备为：铁源化合物、锂源化合物、磷源化合物和钽的氧化物按比例混合后，得到待研磨粉料，加入足量的丙酮后置于球磨机中充分研磨，收取研磨后的浆料于100℃以上干燥，得到混合物A。

所述的丙酮为待研磨粉料体积的3～5倍，球磨机的速率为200～500r/min，干燥温度为100～110℃。

所述的还原性碳源化合物为柠檬酸、蔗糖、葡萄糖中的一种或几种，碳的质量为混合物A质量的15～20％，将混合物A与还原性碳源化合物的饱和水溶液充分混合，制成前躯体。

所述步骤3)的加热是以2～3℃/min加热速率升温。

所述的压紧为在100～200MPa压力下，压成紧密圆柱体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的钽掺杂覆碳磷酸铁锂，通过钽的掺杂使材料电化学性能优良，尤其是在大电流密度下容量衰减极小，并且振实密度比较高。比如所制备的LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C材料，0.2C放电比容量高于152mAh/g，在大倍率5C下此材料的放电比容量仍高达102.8mAh/g，循环20次容量衰减为98.2mAh/g，容量衰减率仅为2.6％，而未经过钽掺杂的材料在大倍率5C下循环20次放电比容量从94.3mAh/g衰减为53.4mAh/g，容量衰减率为48.5％，此材料的振实密度高达1.52g/ml。

本发明提供的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法简单，成本较低，适合工业化生产，其材料可选用廉价，比如可以采用三氧化二铁为铁源，碳源化合物在物料前驱体中加入，一部分用来还原三价铁，多余的还原碳直接包覆在LiFePO₄颗粒上，不需要后期的包覆处理即可改善材料的导电性。

附图说明

图1是四种产物LiFePO₄/C，LiFe_0.93Ta_0.07PO4/C，LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C，LiFe_0.83Ta_0.17PO₄/C的XRD曲线对比图；

图2是四种产物LiFePO₄/C，LiFe_0.93Ta_0.03PO₄/C，LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C，LiFe_0.83Ta_0.17PO₄/C在0.2C倍率下的首次充放电曲线图；

图3是LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C材料在0.2C，0.5C，2C，5C倍率下的循环性能曲线对比图；

图4是LiFePO₄/C与LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C材料在0.2C，0.5C，2C，5C倍率下的循环性能曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

钽掺杂覆碳磷酸铁锂LiFe_0.9Ta_0.1PO₄的制备，包括以下步骤：

(1)准确称量0.025molLi₂CO₃、0.0225molFe₂O₃、0.005molTa₂O₅和0.05molNH₄H₂PO₄放入球磨罐中进行配料；

(2)将所配置的粉料加入粉料体积4倍的丙酮后置于球磨机中以250rpm/min的速率下旋转5h；

(3)在烘箱中110℃下干燥研磨后的浆料，之后加入含2.2g柠檬酸的饱和水溶液制成流变相的前躯体；

(4)将上述前躯体在惰性气氛下，以1℃/min加热速率升温，于100℃恒温2h，再升温至400℃恒温5h，随炉降温后取出研磨，在200MPa压力下，将其压成紧密圆柱体；

(5)将压好的圆柱体在高纯氮气气氛下升温至650℃恒温焙烧12h，随炉降温至室温得到钽掺杂覆碳磷酸铁锂8.7g，其中碳的质量为0.87g(柠檬酸参与还原反应和分解之后剩余的碳的质量)。

所制备出钽掺杂覆碳磷酸铁锂材料，其中铁和钽元素的理论比Fe∶Ta＝0.9∶0.1，可表示为LiFe_0.9Ta_0.1PO₄。

所制备材料的电化学性能测试按下述方法进行，先将正极材料涂成电极片，电极片的制备采用的粘接剂为0.02mol/L PVDF的NMP溶液，按照质量比85∶8∶7称取活性物质、乙炔黑和相应量的粘接剂溶液，研磨均匀，滴加一定的粘接剂溶液，搅拌均匀涂布在铝箔上，100℃条件下干燥24h，将涂有正极材料的极片冲成直径约为10mm的圆片，正极片活性物质含量控制在8～10mg之间，使用金属锂片作为对电极，Celgard2400为隔膜，1mol/LLiPF6/EC+DMC+EMC(体积比1∶1∶1)为电解液，在通干燥空气的(相对湿度≤4％)手套箱内组装成扣式电池，电池组装完毕后静置24h。

作为对照检测的不进行钽掺杂的碳磷酸铁锂的制备为：

(1)准确称量0.025molLi₂CO₃、0.025molFe₂O₃和0.05molNH₄H₂PO₄放入球磨罐中进行配料；

(2)将所配置的粉料加入粉料体积4倍的丙酮后置于球磨机中以250rpm/min的速率下旋转5h；

(3)在烘箱中110℃下干燥研磨后的浆料，之后加入含2.2g柠檬酸的饱和水溶液制成流变相的前躯体；

(4)将上述前躯体在惰性气氛下，以1℃/min加热速率升温，于100℃恒温2h，再升温至400℃恒温5h，随炉降温后取出研磨，在200MPa压力下，将其压成紧密圆柱体；

(5)将压好的圆柱体在惰性气氛下升温至650℃恒温焙烧12h，随炉降温至室温得到LiFePO₄8.7g。

制备出覆碳的磷酸铁锂材料，其中各元素的理论比为。

实施例2

钽掺杂覆碳磷酸铁锂LiFe_0.93Ta_0.07PO₄的制备，包括以下步骤：

(1)准确称量0.025molLi₂CO₃、0.02325molFe₂O₃、0.0035molTa₂O₅和0.05molNH₄H₂PO₄放入球磨罐中进行配料；

(2)将所配置的粉料加入粉料体积5倍的丙酮后置于球磨机中以250rpm/min的速率下旋转5h；

(3)在烘箱中120℃下干燥研磨后的浆料，之后加入含2.5g葡萄糖的饱和水溶液制成流变相的前躯体；

(4)将上述前躯体在惰性气氛下，以3℃/min加热速率升温，于150℃恒温5h，再升温至600℃恒温3h，随炉降温后取出研磨，在200MPa压力下，将其压成紧密圆柱体；

(5)将压好的圆柱体在惰性气氛下升温至750℃恒温焙烧10h，随炉降温至室温得到锂离子电池正极材料钽掺杂覆碳磷酸铁锂8.7g。

所制备出钽掺杂覆碳的磷酸铁锂材料表示为LiFe_0.93Ta_0.07PO₄。

实施例3

(1)准确称量0.025molLi₂CO₃、0.02175mol四氧化三铁、0.0085molTa₂O₅和0.05molNH₄H₂PO₄放入球磨罐中进行配料；

(2)将所配置的粉料加入粉料体积5倍的丙酮后置于球磨机中以200rpm/min的速率下旋转5h；

(3)在烘箱中150℃下干燥研磨后的浆料，之后加入含3.0g蔗糖的饱和水溶液制成流变相的前躯体；

(4)将上述前躯体在惰性气氛下，以2℃/min加热速率升温，于120℃恒温2.5h，再升温至500℃恒温3.5h，随炉降温后取出研磨，在100MPa压力下，将其压成紧密圆柱体；

(5)将压好的圆柱体在惰性气氛下升温至900℃恒温焙烧5h，随炉降温至室温得到钽掺杂覆碳磷酸铁锂LiFe_0.87Ta_0.13PO₄8.7g。

如图1所示的四种产物LiFePO₄/C，LiFe_0.93Ta_0.07PO4/C，LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C，LiFe_0.83Ta_0.17PO₄/C的XRD曲线，可以看出产物均为橄榄石型结构的磷酸铁锂，金属钽元素的掺杂并没有改变材料的结构。而LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C材料与LiFePO₄/C相比，其锂离子扩散更容易，即材料的导电性较好。

电池的充放电性能测试在室温下进行，用武汉蓝电电池测试仪进行恒流充放电测试，实施例1，2，3和作为对比的4LiFePO₄/C四种材料在0.2C倍率下首次充放电，充放电电压范围为2.4～4.2V时，容量分别达到151mAh/g，142mAh/g，146mAh/g和121mAh/g，如图2所示，可见LiFe_0.9Ta_0.1PO4/C材料的首次放电比容量较大。图4为LiFe_0.9Ta_0.1PO4/C和LiFePO₄/C在不同放电电流下的循环性能曲线，可以看出不管是小电流还是大电流下LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C的放电比容量都大且衰减小，尤其是在大倍率5C下LiFe_0.9Ta_0.1PO₄/C材料的放电比容量仍为98.1mAh/g，循环20周，容量衰减为96.2mAh/g，容量衰减率仅为1.9％，远远低于未掺杂的材料。

实施例4

LiFe_0.9Ta_0.1PO₄的制备，包括以下步骤：

(1)准确称量0.05mol LiH₂PO₄、0.0225mol Fe₂O₃和0.005mol Ta₂O₅放入球磨罐中进行配料；

(2)将所配置的粉料加入粉料体积5倍的丙酮后置于球磨机中以250rpm/min的速率下旋转5h；

(3)在烘箱中110℃下干燥研磨后的浆料，之后加入含1.8g柠檬酸的饱和水溶液制成流变相的前躯体；

(4)将上述前躯体在惰性气氛下，以1.5℃/min加热速率升温，于100℃恒温2h，再升温至400℃恒温5h，随炉降温后取出研磨，在200MPa压力下，将其压成紧密圆柱体；

(5)将压好的圆柱体在惰性气氛下升温至750℃恒温焙烧12h，随炉降温至室温得到锂离子电池正极材料钽掺杂覆碳磷酸铁锂LiFe_0.9Ta_0.1PO₄8.7g。

实施例5

LiFe_0.9Ta_0.1PO₄的制备包括以下步骤：

(1)准确称量0.05mol LiF、0.0225mol Fe₂O₃、0.005mol Ta₂O₅和0.05molNH₄H₂PO₄放入球磨罐中进行配料；

(2)将所配置的粉料加入粉料体积4倍的丙酮后置于球磨机中以250rpm/min的速率下旋转5h；

(3)在烘箱中110℃下干燥研磨后的浆料，之后加入含2.1g柠檬酸的饱和水溶液制成流变相的前躯体；

(4)将上述前躯体在惰性气氛下，以1℃/min加热速率升温，于100℃恒温2h，再升温至400℃恒温5h，随炉降温后取出研磨，在200MPa压力下，将其压成紧密圆柱体；

(5)将压好的圆柱体在惰性气氛下升温至650℃恒温焙烧12h，随炉降温至室温得到锂离子电池正极材料钽掺杂覆碳磷酸铁锂LiFe_0.9Ta_0.1PO₄8.7g。

从实施例1，4和5制备的三种材料的循环性能曲线，即附图3可以看出以Li₂CO₃为锂源合成材料的电化学性能较好，在不同倍率下容量较高且在大倍率5C下衰减是最小的。

Claims (8)

1.一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂，其特征在于，其化学表达式为：LiFe_1-xTa_xPO₄/C，其中0＜x≤0.2，C的质量百分比为1～10％。

2.一种钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按摩尔比Li∶Fe∶Ta∶P＝1∶1-x∶x∶1的比例，将用于制备磷酸亚铁锂的铁源化合物、锂源化合物、磷源化合物和钽的氧化物充分研磨混合，得到混合物A，其中0＜x≤0.2；

2)将混合物A与还原性碳源化合物充分混合得到前躯体，其中碳的质量为混合物A质量的10～20％；

3)将前躯体在惰性气氛下，加热至100～150℃恒温2～5h，再加热至350～600℃恒温3～6h，随炉降温后取出研磨并压紧；

4)压紧后在惰性气氛下，升温至500～900℃，恒温焙烧5～15h，随炉降温至室温，得到钽掺杂覆碳磷酸铁锂。

3.如权利要求2所述的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述的锂源化合物为碳酸锂、磷酸二氢锂或氟化锂，铁源化合物为三氧化二铁、四氧化三铁、草酸亚铁、草酸铁、磷酸铁、磷酸亚铁中的一种或几种；所述的磷源化合物为磷酸、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸二氢铵中的一种或几种。

4.如权利要求2所述的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述的混合物A的制备为：铁源化合物、锂源化合物、磷源化合物和钽的氧化物按比例混合后，得到待研磨粉料，加入足量的丙酮后置于球磨机中充分研磨，收取研磨后的浆料于100℃以上干燥，得到混合物A。

5.如权利要求4所述的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述的丙酮为待研磨粉料体积的3～5倍，球磨机的速率为200～500r/min，干燥温度为100～110℃。

6.如权利要求2所述的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述的还原性碳源化合物为柠檬酸、蔗糖、葡萄糖中的一种或几种，碳的质量为混合物A质量的15～20％，将混合物A与还原性碳源化合物的饱和水溶液充分混合，制成前躯体。

7.如权利要求2所述的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的加热是以1～3℃/min加热速率升温。

8.如权利要求2所述的钽掺杂覆碳磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述的压紧为在100～200MPa压力下，压成紧密圆柱体。

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