CN102623708A - 锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,该方法是首先制备混合前驱体溶液,喷雾干燥预处理所得前驱体,然后在惰性气氛条件下通过煅烧反应,制备得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。与现有技术相比,本发明有效地控制了Li3V2(PO4)3和石墨烯的组成方式、碳和石墨烯的含量和材料粒径尺寸,提高了材料的稳定性和导电性能。

Description

锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料技术领域,尤其是涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法,其重点是一种喷雾干燥辅助合成磷酸钒锂/石墨烯复合材料的方法。
背景技术
锂离子电池是新一代的绿色高能电池,具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽等众多优点。目前,锂离子电池的应用领域不断扩大,已成为对国计民生具有重要意义的高新技术产品的重要内容。
正极材料在很大程度上决定了锂离子电池的性能,因而一直是国内外锂离子电池界的研究热点。绝大部分研究工作集中在第四周期Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni 6种可变价过渡金属元素的嵌锂化合物上。第一代正极材料为金属硫化物,如TiS2、MoS2等。第二代正极材料为锂-过渡金属复合氧化物,以LiCoO2为代表,包括LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiV3O8、LiNixCo1-xO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及各种衍生物。第三代正极材料是以LiFePO4为代表的聚阴离子型化合物材料。与锂-过渡金属复合氧化物材料相比,聚阴离子型化合物正极材料普遍具有晶体结构稳定,热稳定性好,安全性能优异等突出优点,可应用于动力型和储能型锂离子电池。
V是价态丰富的过渡金属元素,化学性质活泼多样。既可以与锂和磷酸根等结合生成聚阴离子型化合物,还可先与氧结合,再以钒氧离子的形式与锂和磷酸根等结合。与其他过渡金属相比,钒的聚阴离子型化合物电池材料具有很大的研究空间。而且在我国,特别是攀枝花地区有十分丰富的钒矿资源,炼铁后的铁矿渣中含有大量的钒,很有必要进行钒资源的综合利用。根据我国的钒资源情况和国情,开展新型锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3的研究具有重要意义。
Li3V2(PO4)3最大的特点就是离子电导率大,化合物结构中存在足够的空间可以传导Li+。单斜结构的Li3V2(PO4)3在3.0~4.3V间,能够可逆地脱嵌2个锂离子,对应3个电压平台3.60、3.68和4.08V,均是对应于V3+/V4+氧化还原电位,此时理论比容量为133mAh/g;第3个锂的脱嵌发生于4.55V,此时理论比容量为197mAh/g。Li3V2(P04)3因其放电电位平台较高,平均放电电压平台约为4.0V;具有优异的低温性能和热稳定性;优良的循环稳定性;使用安全且具有成本低的优势,因此备受人们关注。目前磷酸钒锂的合成方法主要有高温固相法、碳热还原法、溶胶凝胶法和微波法。碳热还原法虽能降低成本和改善材料性能,但采用碳热固相还原仍不可避免原料的混合不均,影响正极材料的振实密度。微波法具有反应时间短、能耗低等优点,但加热时间不易控制。溶胶-凝胶法虽然合成温度低、产品粒径小、电化学性能好、循环稳定性好,但操作较复杂,反应条件苛刻。高温固相法的优点是工艺简单,易实现产业化,但合成样品的纯度不高、粒径较大、电化学性能差,且传统的高温固相法以纯H2作为还原剂,存在着成本高、不安全的缺点。
发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术的缺点,提供一种适合工业化生产的锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,所述的方法具体包括以下步骤:
(1)混合前驱体:将含锂源化合物、钒源化合物、磷源化合物按锂、钒、磷的化学计量比为3∶2∶3的比例称取混合得到混合物,然后在混合物中加入氧化石墨烯和有机物前驱体均匀混合,磁力搅拌0~5h得到前驱体;所述的氧化石墨烯的加入量为所述混合物的7-15wt%,所述的有机物前驱体的用量为所述混合物的1~30wt%;
(2)预处理:将步骤(1)所得的混合物前驱体用喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料;
(3)煅烧反应:将步骤(2)所得材料转入管式炉中,在惰性气氛中,以1~30℃/min升温速率加热,惰性气体流速为10~300mL/min,在200~500℃恒温煅烧1~10h。自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨10~100min,再转入管式炉中,以1~30℃/min升温速率加热,气体流速为10~300mL/min,在500~1000℃恒温煅烧5~40h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。
步骤(1)中所述的锂源化合物为草酸锂、碳酸锂、氯化锂、硝酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、硫酸锂中的一种。
步骤(1)中所述的钒源化合物为偏钒酸银、偏钒酸钠、五氧化二钒、偏钒酸铵、原钒酸钠、乙酰丙酮氧钒中的一种。
步骤(1)中所述的磷源化合物为磷酸三铵、磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种。
步骤(1)中所述的氧化石墨烯为化学氧化法合成的石墨烯氧化物水溶液、固体粉末、或经200~500℃热解得到的不同还原程度的氧化石墨烯中的一种。
步骤(1)中所述的有机物前驱体为聚丙烯、葡萄糖、聚乙烯醇、柠檬酸、蔗糖、碳凝胶中的一种。
步骤(3)中所述的惰性气氛的气源选自氮气、氩气、氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔中的一种或其混合物。
与现有技术相比,本发明具有以下特点:
(1)采用喷雾干燥法辅助合成石墨烯和有机碳包覆磷酸钒锂,材料物相纯度更高,XRD衍射不含杂质相;
(2)合成的磷酸钒锂正极材料结晶度非常好,磷酸钒锂材料和石墨烯相互交织缠绕在一起,有机前躯体碳化形成的碳颗粒分散在其中,既能提高材料的电子导电率,又能抑制晶粒在烧结过程中的过度增长,得到的Li3V2(PO4)3颗粒小且尺寸均匀;
(3)采用喷雾干燥辅助合成石墨烯和有机碳包覆的磷酸钒锂,碳的含量易控制,煅烧后形成的石墨烯和磷酸钒锂相互交织缠绕,这种结构非常稳定,而且制备工艺简单,操作控制容易,易实现工业化生产;
(4)石墨烯和有机碳包覆的磷酸钒锂材料充放电容量高,倍率性能好,循环性能优异。合成得到的磷酸钒锂和锂片一起组装成半电池进行测试,电压区间在3.0~4.3V,以0.1C倍率充放电,放电容量达到130mAh/g;以0.5C倍率放电,放电容量接近128mAh/g。电压区间在3.0~4.8V,以0.1C倍率充放电,放电容量接近180mAh/g;以1C倍率放电,放电容量接近155mAh/g,且以0.1C进行100个充放循环后,容量几乎没有衰减。
附图说明
图1是实施例1~实施例2制备Li3V2(PO4)3/GNS的X射线衍射图谱,其中:a为实施例1的X射线衍射图谱;b为实施例2的X射线衍射图谱;
图2是实施例2制备Li3V2(PO4)3/GNS的SEM图;
图3是实施例3制备Li3V2(PO4)3/GNS的TEM图;
图4是实施例1制备Li3V2(PO4)3/GNS在3.0~4.3V电压区间不同倍率下的首次放电曲线,其中:充放电倍率分别为0.1C、0.2C和0.5C;
图5是实施例4制备Li3V2(PO4)3/GNS在3.0~4.8V电压区间不同倍率下的首次放电曲线,其中:充放电倍率分别为0.1C、0.2C、0.5C和1C。
具体实施方式
下面对本发明的实施例做详细说明,本实施例在以本发明技术方案前提下实施,给出了详细的实施方式和具体操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
按Li∶V∶P的摩尔比为3∶2∶3的化学计量比称取LiNO3,V2O5和NH4H2PO4共20g,与2.5g氧化石墨烯前驱体通过磁力搅拌进行均匀混合,搅拌2h,加入2.5g柠檬酸后继续进行搅拌0.5h,然后通过喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料,再将所得材料转入管式炉中,在氩气气氛中,以30℃/min升温速率加热,氩气流速为100mL/min,在200℃恒温煅烧1h。自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨50min,再转入管式炉中,以30℃/min升温速率加热,气体流速为100mL/min,在850℃恒温煅烧10h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。测得该喷雾造粒得到的材料一次球粒径为100~300nm,二次球平均粒径为1~4μm,振实密度为1.50g/cm3
产物的XRD见图1中a曲线所示,由图可知,采用喷雾干燥辅助的固相合成方法,制备出了纯相的单斜橄榄石型磷酸钒锂正极材料,没有杂质峰出现在XRD的衍射峰中。以锂片为负极,将所得的产物组装成半电池进行实验测试,通过倍率充放电测试其放电比容量(见图4)。由图4可知,充放电电压为3.0~4.3V时,0.1C放电比容量达到131.4mAh/g。
实施例2
按Li∶V∶P=3∶2∶3的化学计量比称取CH3COOLi,NH4VO3和(NH4)2HPO4共20g,与含1.5g氧化石墨(3mg/mL)的水溶液通过磁力搅拌进行均匀混合,搅拌3h,加入2.8g蔗糖后继续进行搅拌1h,然后通过喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料,再将所得材料转入管式炉中,在氢气气氛中,以20℃/min升温速率加热,氢气流速为80mL/min,在250℃恒温煅烧2h。自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨30min,再转入管式炉中,以20℃/min升温速率加热,气体流速为80mL/min,在800℃恒温煅烧8h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。
产物的XRD见图1中b曲线所示,同样也没有杂质相出现。扫描电镜照片见图2,二次颗粒的尺寸在1~4μm,不同程度的堆叠在一起。其一次颗粒尺寸大概在100~200nm,且一次颗粒Li3V2(PO4)3嵌在石墨烯当中,与石墨烯相互交织缠绕在一起。
实施例3
按Li∶V∶P=3∶2∶3的化学计量比称取LiOH·H2O,NaVO3和H3PO4共25g,与3.7g热解石墨烯(400℃×2h)前驱体通过磁力搅拌进行均匀混合,搅拌3h,加入2.6g聚乙烯醇后继续进行搅拌1.5h,然后通过喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料,再将所得材料转入管式炉中,在乙烯气氛中,以20℃/min升温速率加热,乙烯流速为60mL/min,在350℃恒温煅烧3h。自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨20min,再转入管式炉中,以25℃/min升温速率加热,气体流速为60mL/min,在700℃恒温煅烧6h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。测得该材料平均粒径为100~200nm,振实密度为1.60g/cm3
产物的TEM照片见图3,可明显看到Li3V2(PO4)3颗粒嵌在石墨烯当中,与石墨烯相互交织缠绕在一起。
实施例4
按Li∶V∶P=3∶2∶3的化学计量比称取Li2CO3,AgVO3和(NH4)3PO4共30g,与4.0g石墨烯前驱体通过磁力搅拌进行均匀混合,搅拌2.5h,加入3g碳凝胶后继续进行搅拌2h,然后通过喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料,再将所得材料转入管式炉中,以15℃/min升温速率加热,气体流速为30mL/min,在250℃温煅烧2.5h。自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨10min,再转入管式炉中,以15℃/min升温速率加热,气体流速为25mL/min,在750℃恒温煅烧10h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。测得该材料平均粒径为50~150nm,振实密度为1.55g/cm3
以锂片为负极,将所得的产物在手套箱中组装成半电池进行实验测试,通过倍率充放电测试其放电比容量(见图5)。在3.0~4.8V电压区间充放电,该磷酸钒锂/石墨烯复合材料在0.1C,0.2C,0.5C和1C倍率下的放电比容量分别为181.5mAh/g,173.3mAh/g,164.9mAh/g和156.1mAh/g。
实施例5
(1)混合前驱体:将碳酸锂、乙酰丙酮氧钒、磷酸三铵按锂、钒、磷的化学计量比为3∶2∶3的比例称取得到混合物,向该混合物中加入氧化石墨烯和有机物前驱体聚丙烯均匀混合,混合得到前驱体。
所述的氧化石墨烯的加入量为所述混合物的7wt%,所述的有机物前驱体的用量为所述混合物的1wt%;氧化石墨烯为化学氧化法合成的石墨烯氧化物水溶液。
(2)预处理:将步骤(1)所得的前驱体用喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料;
(3)煅烧反应:将步骤(2)所得材料转入管式炉中,在氮气气氛中,以1℃/min升温速率加热,氮气流速为10mL/min,在200℃恒温煅烧10h,自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨10min,再转入管式炉中,以1℃/min升温速率加热,空气流速为10mL/min,在500℃恒温煅烧40h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。
实施例6
(1)混合前驱体:将氯化锂、原钒酸钠、磷酸按锂、钒、磷的化学计量比为3∶2∶3的比例称取得到混合物,向该混合物中加入氧化石墨烯和有机物前驱体聚丙烯均匀混合,磁力搅拌5h得到前驱体。
所述的氧化石墨烯的加入量为所述混合物的15wt%,所述的有机物前驱体的用量为所述混合物的30wt%;氧化石墨烯为经200~500℃热解得到的不同还原程度的氧化石墨烯。
(2)预处理:将步骤(1)所得的前驱体用喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料;
(3)煅烧反应:将步骤(2)所得材料转入管式炉中,在一氧化碳气氛中,以30℃/min升温速率加热,一氧化碳气体流速为300mL/min,在500℃恒温煅烧1h。自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨100min,再转入管式炉中,以30℃/min升温速率加热,气体流速为300mL/min,在1000℃恒温煅烧5h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。

Claims (7)

1.锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,该方法具体包括以下步骤:
(1)制备混合前驱体:将含锂源化合物、钒源化合物、磷源化合物按锂、钒、磷的化学计量比为3∶2∶3的比例称取混合得到混合物,然后在混合物中加入氧化石墨烯和有机物前驱体均匀混合,磁力搅拌0~5h得到前驱体;所述的氧化石墨烯的加入量为所述混合物的7-15wt%,所述的有机物前驱体的用量为所述混合物的1~30wt%;
(2)预处理:将步骤(1)所得的前驱体用喷雾干燥器进行喷雾干燥得到粉末材料;
(3)煅烧反应:将步骤(2)所得材料转入管式炉中,在惰性气氛中,以1~30℃/min升温速率加热,惰性气体流速为10~300mL/min,在200~500℃恒温煅烧1~10h,自然冷却后将得到的前驱体粉末研磨10~100min,再转入管式炉中,以1~30℃/min升温速率加热,气体流速为10~300mL/min,在500~1000℃恒温煅烧5~40h得到锂离子电池磷酸钒锂正极材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的锂源化合物为草酸锂、碳酸锂、氯化锂、硝酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、硫酸锂中的一种。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的钒源化合物为偏钒酸银、偏钒酸钠、五氧化二钒、偏钒酸铵、原钒酸钠、乙酰丙酮氧钒中的一种。
4.根据权利要求1所述锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的磷源化合物为磷酸三铵、磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的氧化石墨烯为化学氧化法合成的石墨烯氧化物水溶液、固体粉末、或经200~500℃热解得到的不同还原程度的氧化石墨烯中的一种。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的有机物前驱体为聚丙烯、葡萄糖、聚乙烯醇、柠檬酸、蔗糖、碳凝胶中的一种。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池正极用磷酸钒锂/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述的惰性气氛的气源选自氮气、氩气、氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔中的一种或其混合物。
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