CN102683680B - 铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的铝、钡参杂磷酸铁锂纳米正极材料及其制备方法，其特征在于：其锂源、铁源、磷酸根源、铝源、钡源的原料，按照1mol Li：0.002-0.005mol Al：0.0003-0.003mol Ba：1mol Fe：1mol P比例混合后，在5-120℃密封搅拌反应器中，反应0.5-24小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得本发明的参杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料，其粉末粒度在30-85nm范围，其首次放电容量大大提高，达160.21mAh/g以上，生产成本可降十倍以上。
Description
技术领域
本发明的铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料及其制备方法，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
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometermaterial)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。掺杂改性的磷酸铁锂正极材料，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。经公开专利检索，目前记载有关锂电池纳米正极材料专利申请3件，其为：兰州大学化学化工学院的00134039.5一种锂离子电池纳米正极材料LiCoC2的制备方法；清华大学；山西省玻璃陶瓷科学研究所的200610011712.9稀土掺杂包碳型纳米正极材料磷酸铁锂及其制备方法；上海交通大学的200710037314.9锂离子电池纳米正极材料的连续水热合成方法。
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，提出一种铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料及其制备方法。
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，其制成纳米级产品其性能将更优秀。
本发明的铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料，其特征在于：其粉末粒度在30-85nm范围，其化学组成或化学通式可表述为：LiAlxBayFe PO4，x＝＝0.002-0.005，y＝0.0003-0.003；其中Li、Al、Ba、Fe、P的mol比为：1mol Li：0.002-0.005mol Al：0.0003-0.003mol Ba：1mol Fe：1mol P。
本发明的铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料制备方法，其特征在于：其锂源、铁源、磷酸根源、铝源、钡源的原料，按照1mol Li：0.002-0.005mol Al：0.0003-0.003mol Ba：1mol Fe：1mol P比例混合后，在5-120℃密封搅拌反应器中，反应0.5-24小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得本发明的掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料，其粉末粒度在30-85nm范围，其化学组成为：Li Al x Bay Fe PO4，x＝＝0.002-0.005，y＝0.0003-0.003；其中Li、Al、Ba、Fe、P的mol比为：1mol Li：0.002-0.005mol Al：0.0003-0.003mol Ba：1mol Fe：1mol P。其锂源为碳酸锂、氢氧化锂或磷酸二氢锂之一，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，铝源为氢氧化铝，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：本发明的铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料制备方法，所得粉末正极材料，粒度在30-85nm范围，其首次放电容量大大提高，达160.21mAh/g以上，生产成本可降十倍以上。
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。
实施例1
本发明的铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料制备方法，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，铝源为，氢氧化铝(Al(OH)3)，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％)，氢氧化铝(99.5％)，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：0.002-0.005mol Al：0.0003-0.003mol Ba：1mol Fe：1molP比例混合后，在5-120℃密封搅拌反应器中，反应0.5-24小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得本发明的掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料，其粉末粒度在30-85nm范围。
实施例2
Li2CO3(99.73％)，Al(OH)3(99.5％)，BaCO3(99.8％)，FeC2O4.2H2O(99.06％)，NH4H2PO4(98％)原料，按照1mol Li：0.002mol Al：0.0003mol Ba：1mol Fe：1mol P比例混合后，在5-120℃密封搅拌反应器中，反应0.5-24小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得本发明的掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料，其粉末粒度在30-85nm范围。
实施例3
Li2CO3(99.73％)，Al(OH)3(99.5％)，BaCO3(99.8％)FeC2O4.2H2O(99.06％)，NH4H2PO4(98％)原料，按照1mol Li：0.004mol Al：0.001mol Ba：1mol Fe：1molP比例混合后，在20-30℃密封搅拌反应器中，反应20小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得本发明的掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料。
实施例4
Li2CO3(99.73％)，Al(OH)3(99.5％)，BaCO3(99.8％)，FeC2O4.2H2O(99.06％)，NH4H2PO4(98％)原料，按照1mol Li：0.005mol Al：0.003mol Ba：1mol Fe：1molP比例混合后，在50-80℃密封搅拌反应器中，反应5小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得本发明的掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料。
实施例5
Li2CO3(99.73％)，Al(OH)3(99.5％)，BaCO3(99.8％)，FeC2O4.2H2O(99.06％)，NH4H2PO4(98％)原料，按照1mol Li：0.005mol Al：0.003mol Ba：1mol Fe：1molP比例混合后，在100-120℃密封搅拌反应器中，反应0.5小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得本发明的掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料。
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1-5的掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料，进行测试结果为：粉末粒度在30-85nm范围，首次放电容量达160.21mAh/g以上。
Claims (2)
1.一种铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料，其特征在于：其粉末粒度在30-85nm范围，其化学组成或化学通式可表述为：LiAlxBayFePO4，x＝0.002-0.005，y＝0.0003；其中Li、Al、Ba、Fe、P的mol比为：1mol Li∶0.002--0.005mol Al∶0.0003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P。
2.一种铝、钡掺杂磷酸铁锂纳米正极材料制备方法，其特征在于：其锂源、铁源、磷酸根源、铝源、钡源的原料，按照1mol Li∶0.002-0.005mol Al∶0.0003mol Ba∶1mol Fe∶1mol P比例混合后，在5-120℃密封搅拌反应器中，反应0.5-24小时，过滤、洗涤、烘干后得到纳米前驱体，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，即得掺杂磷酸铁锂纳米粉末正极材料，其粉末粒度在30-85nm范围。
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