CN102983329A - 导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将聚合物单体和磷酸铁锂粉末在酸性溶液中充分分散，得到混合液A；所述的聚合物单体为苯胺、吡咯、噻吩、3,4-乙撑二氧噻吩中的一种或几种的组合；（2）在混合液A中加入金属化合物，充分分散，得到混合液B，所述的金属化合物为硝酸银、硝酸镍、硫酸镍、硝酸铜、硫酸铜、氯金酸、氯铂酸的一种；（3）在混合液B中加入氧化剂，然后将所得反应混合物保持在0~30℃水浴超声1～4h，再室温静置1～2h，过滤、洗涤、干燥即得导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料。本发明所制备的材料容量较高、倍率性能优良。
Description
技术领域：
本发明涉及一种磷酸铁锂正极材料的制备方法，尤其是一种隶属于锂离子电池材料及电动汽车领域。
背景技术：
汽车已成为当今人类生活、社会发展不可缺少的交通工具，它对人类社会的进步产生了不可替代的巨大推动作用，但同时也给社会发展带来了环境破坏、能源短缺等负面影响。汽车排放的CO2、硫化物SOx、氮氧化物NOx等有害气体使得温室效应加剧，臭氧层破坏，酸雨等日益严峻的环境问题。汽车工业发展面临的挑战之二是能源供应问题。随着世界人口的增加和生活水平的提高，汽车需有量逐年递增，人类对能源需求的增加速度很快，石油资源的枯竭速度正在严重加剧。我国的石油储藏量和开采量难以满足国内需求，不足部分主要依赖于进口。即使在采用先进技术、继续节能、加速可再生能源开发利用以及优化资源配置条件下，石油短缺额仍可能多达数亿吨。因此，开发新一代节能环保型电动汽车被认为是解决或缓解环境污染和能源危机的有效方法。电动汽车使用的能源是可以来源于发电的一切能源（水力、风能、太阳能、潮汐能等）。故此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供应多样化，使能源供给得到可靠保障。然而开发电动汽车的尖端技术在于研发比容量高、寿命长、热稳定性好、电流强度大的高性能电池材料。然而磷酸铁锂材料具有高比能量、长循环寿命、较宽的工作温度范围、良好的倍率性能等特性，符合了汽车业发展的潮流。但是磷酸铁锂存在着电子电导率低及离子扩散速率低的缺陷，这样难能应用到汽车动力电池。目前研究者大都通过包覆及掺杂来提高磷酸铁锂的导电性能。
导电聚合物链上存在碳双键与单键的交替，就能形成共轭离域结构，这种聚合物的能带隙值一般在2～3eV，如果对其进行掺杂，掺入电子施主或是电子受体，则聚合物的电导率急剧增大。某些聚合物在无机质子酸掺杂后电导率甚至可以提高数十个数量级，发生了从绝缘半导到导电的显著变化。导电聚合物的突出优点是既具有金属和无机半导体的电学和光学双重特性，又具有有机聚合物柔韧的机械性能和可加工性，还具有可逆电化学氧化还原活性。在近几年导电聚合被广泛应用于锂离子电池电极材料的研究中，它能够很好地提高无机材料的电导率，用导电聚合物制作的正极材料具有加工性好，质量比能量大，不易产生枝晶而发生内部短路，高倍率放电性能好等优点。与此同时，聚苯胺在体现脱嵌锂的过程中，会失去部分的导电性能。导电金属是一种很好的电子导体，能够为磷酸铁锂提供电子通道，进而提高倍率性能。本发明综合了聚合物和导电金属的双重优点，进而提高了磷酸铁锂的实际容量，改善了放电倍率性能。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，所制备的材料容量较高、倍率性能优良。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量比为2~10:100的聚合物单体和磷酸铁锂粉末在酸性溶液中充分分散，得到混合液A；所述的聚合物单体为苯胺、吡咯、噻吩、3,4-乙撑二氧噻吩中的一种或几种的组合；
（2）在混合液A中加入金属化合物，充分分散，得到混合液B，其中金属化合物中的金属元素含量为混合溶液A中含有的磷酸铁锂质量的0.5~5%；所述的金属化合物为硝酸银、硝酸镍、硫酸镍、硝酸铜、硫酸铜、氯金酸、氯铂酸的一种；
（3）在混合液B中加入氧化剂，所述的氧化剂为过硫酸铵、双氧水、高锰酸钾、重铬酸钾、三氯化铁、硝酸银中的一种或几种的组合，其中氧化剂与混合液B中含有的聚合物单体的摩尔比为1：1～1：3，然后将所得反应混合物保持在0~30℃水浴超声1～4h，再室温静置1～2h，过滤、洗涤、干燥即得导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料。
所述步骤（1）中，所述的酸性溶液优选为浓度为0.1～5mol/L的甲酸、硝酸、醋酸溶液中的一种或几种的混合；优选每20mL酸性溶液加入0.02～0.15g聚合物单体。
本发明推荐所述步骤（1）按照如下操作：取聚合物单体加入酸性溶液中，搅拌分散30~60min，然后加入磷酸铁锂粉末，超声分散30min~2h，得到混合液A。
所述步骤（2）中，在混合液A中加入金属化合物，超声分散0.1~3小时，得到混合液B。
所述步骤（3）中，所述的洗涤优选采用上述酸性溶液、丙酮依次洗涤；所述的干燥优选为：在60～80℃真空干燥10～24h。
本发明具体推荐所述制备方法按照如下步骤进行：
（1）取聚合物单体加入酸性溶液中，搅拌分散30~60min，然后加入磷酸铁锂粉末，超声分散30min~2h，得到混合液A；
（2）在混合液A中加入金属化合物，超声分散0.1~3小时，得到混合液B；
（3）在混合液B中加入氧化剂，然后将所得反应混合物保持在0~30℃水浴超声1～4h，再室温静置1～2h，过滤，滤饼采用酸性溶液、丙酮依次洗涤并在60～80℃真空干燥10～24h即得导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料。
本发明的磷酸铁锂锂离子电池正极材料具有以下优点：
（1）导电聚合物包覆的磷酸铁锂具有高的电导率，减少颗粒间的电阻和电极极化，从而提高了材料的倍率放电性能。
（2）导电聚合物自身具有一定的脱嵌锂功能，且导电聚合物包覆的磷酸铁锂不易直接与电解液接触，产生副反应，不易形成SEI膜和枝晶，使得电池的循环性能得以保持且不会因枝晶而短路。
（3）金属银具有良好的电子导电性，可以很好改善磷酸铁锂的导电性弱的缺陷。
具体实施方式：
下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1：
将0.11g的苯胺溶于20.0mL0.4mol/L甲酸溶液，搅拌分散30min，然后称取4.08g磷酸铁锂粉末搅拌分散于上述溶液并超声分散2h。之后称取0.1287g硝酸银，倾倒于混合溶液中，并将反应混合物超声分散10min溶解。再将氧化剂过硫酸铵按氧化剂与聚合物单体摩尔比为1：1称取0.27g过硫酸铵，倾倒于烧瓶中，并将反应混合物保持0℃超声水浴4h，冷却至室温，静置2h，之后过滤依次用相对应浓度的酸性溶液、丙酮洗涤三到五次，在80℃真空干燥12h，即可得高倍率磷酸铁锂正极材料。
将活性材料聚合物包覆磷酸铁锂粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比8：1：1的比例，一共称取0.5g溶于适量1-甲基-2吡咯烷酮中，混合均匀后成浆状涂于铝箔上真空烘干制成正极片。将烘干的电极片打片后准确称量其质量，作为电池正极。同时以锂片为对电极，微孔状聚乙烯为隔膜，1.0mol/L LiPF6+DMC为电解液，在充满氩气的System One手套箱中用压片机装配成2032扣式电池。
在2.5V～4.2V电压范围内，对电池分别进行0.1C、1C、5C、10C、20C恒流充放电循环测试，循环次数为200周。
实施例2：
将0.11g的苯胺溶于20.0mL0.4mol/L甲酸溶液，搅拌分散30min，然后称取4.08g磷酸铁锂粉末搅拌分散于上述溶液并超声分散2h。之后称取0.1287g硝酸镍Ni(NO3)2·6H2O，倾倒于混合溶液中，并将反应混合物超声分散10min溶解。再将氧化剂过硫酸铵按氧化剂与聚合物单体摩尔比为1：1称取0.27g过硫酸铵，倾倒于烧瓶中，并将反应混合物保持0℃超声水浴4h，冷却至室温，静置2h，之后过滤依次用相对应浓度的酸性溶液、丙酮洗涤三到五次，在80℃真空干燥12h，即可得高倍率磷酸铁锂正极材料。
将活性材料聚合物包覆磷酸铁锂粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比8：1：1的比例，一共称取0.5g溶于适量1-甲基-2吡咯烷酮中，混合均匀后成浆状涂于铝箔上真空烘干制成正极片。将烘干的电极片打片后准确称量其质量，作为电池正极。同时以锂片为对电极，微孔状聚乙烯为隔膜，1.0mol/L LiPF6+DMC为电解液，在充满氩气的System One手套箱中用压片机装配成2032扣式电池。
在2.5V～4.2V电压范围内，对电池分别进行0.1C、1C、5C、10C、20C恒流充放电循环测试，循环次数为200周。
实施例3：
将0.11g的苯胺溶于20.0mL0.4mol/L甲酸溶液，搅拌分散30min，然后称取4.08g磷酸铁锂粉末搅拌分散于上述溶液并超声分散2h。之后称取0.1287g硝酸铜Cu(NO3)2·3H2O，倾倒于混合溶液中，并将反应混合物超声分散10min溶解。再将氧化剂过硫酸铵按氧化剂与聚合物单体摩尔比为1：1称取0.27g过硫酸铵，倾倒于烧瓶中，并将反应混合物保持0℃超声水浴4h，冷却至室温，静置2h，之后过滤依次用相对应浓度的酸性溶液、丙酮洗涤三到五次，在80℃真空干燥12h，即可得高倍率磷酸铁锂正极材料。
将活性材料聚合物包覆磷酸铁锂粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比8：1：1的比例，一共称取0.5g溶于适量1-甲基-2吡咯烷酮中，混合均匀后成浆状涂于铝箔上真空烘干制成正极片。将烘干的电极片打片后准确称量其质量，作为电池正极。同时以锂片为对电极，微孔状聚乙烯为隔膜，1.0mol/L LiPF6+DMC为电解液，在充满氩气的System One手套箱中用压片机装配成2032扣式电池。
在2.5V～4.2V电压范围内，对电池分别进行0.1C、1C、5C、10C、20C恒流充放电循环测试，循环次数为200周。
实施例4：
将0.11g的吡咯溶于20.0mL0.4mol/L甲酸溶液，搅拌分散30min，然后称取4.08g磷酸铁锂粉末搅拌分散于上述溶液并超声分散2h。之后称取0.1287g硝酸银，倾倒于混合溶液中，并将反应混合物超声分散10min溶解。再称取0.27g过硫酸铵，倾倒于烧瓶中，并将反应混合物保持0℃超声水浴4h，冷却至室温，静置2h，之后过滤依次用相对应浓度的酸性溶液、丙酮洗涤三到五次，在80℃真空干燥12h，即可得高倍率磷酸铁锂正极材料。
将活性材料聚合物包覆磷酸铁锂粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比8：1：1的比例，一共称取0.5g溶于适量1-甲基-2吡咯烷酮中，混合均匀后成浆状涂于铝箔上真空烘干制成正极片。将烘干的电极片打片后准确称量其质量，作为电池正极。同时以锂片为对电极，微孔状聚乙烯为隔膜，1.0mol/L LiPF6+DMC为电解液，在充满氩气的System One手套箱中用压片机装配成2032扣式电池。
在2.5V～4.2V电压范围内，对电池分别进行0.1C、1C、5C、10C、20C恒流充放电循环测试，循环次数为200周。
实施例5：
将0.11g的吡咯溶于20.0mL0.4mol/L甲酸溶液，搅拌分散30min，然后称取4.08g磷酸铁锂粉末搅拌分散于上述溶液并超声分散2h。之后称取0.1287g硝酸镍，倾倒于混合溶液中，并将反应混合物超声分散10min溶解。再称取0.27g过硫酸铵，倾倒于烧瓶中，并将反应混合物保持0℃超声水浴4h，冷却至室温，静置2h，之后过滤依次用相对应浓度的酸性溶液、丙酮洗涤三到五次，在80℃真空干燥12h，即可得高倍率磷酸铁锂正极材料。
将活性材料聚合物包覆磷酸铁锂粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比8：1：1的比例，一共称取0.5g溶于适量1-甲基-2吡咯烷酮中，混合均匀后成浆状涂于铝箔上真空烘干制成正极片。将烘干的电极片打片后准确称量其质量，作为电池正极。同时以锂片为对电极，微孔状聚乙烯为隔膜，1.0mol/L LiPF6+DMC为电解液，在充满氩气的System One手套箱中用压片机装配成2032扣式电池。
在2.5V～4.2V电压范围内，对电池分别进行0.1C、1C、5C、10C、20C恒流充放电循环测试，循环次数为200周。
实施例6：
将0.11g的吡咯溶于20.0mL0.4mol/L甲酸溶液，搅拌分散30min，然后称取4.08g磷酸铁锂粉末搅拌分散于上述溶液并超声分散2h。之后称取0.1287g硝酸铜，倾倒于混合溶液中，并将反应混合物超声分散10min溶解。再称取0.27g过硫酸铵，倾倒于烧瓶中，并将反应混合物保持0℃超声水浴4h，冷却至室温，静置2h，之后过滤依次用相对应浓度的酸性溶液、丙酮洗涤三到五次，在80℃真空干燥12h，即可得高倍率磷酸铁锂正极材料。
将活性材料聚合物包覆磷酸铁锂粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比8：1：1的比例，一共称取0.5g溶于适量1-甲基-2吡咯烷酮中，混合均匀后成浆状涂于铝箔上真空烘干制成正极片。将烘干的电极片打片后准确称量其质量，作为电池正极。同时以锂片为对电极，微孔状聚乙烯为隔膜，1.0mol/L LiPF6+DMC为电解液，在充满氩气的System One手套箱中用压片机装配成2032扣式电池。
在2.5V～4.2V电压范围内，对电池分别进行0.1C、1C、5C、10C、20C流充放电循环测试，循环次数为200周。
各实施例制得的材料的结构和性能数据见下表：
Claims (8)
1.一种导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量比为2~10:100的聚合物单体和磷酸铁锂粉末在酸性溶液中充分分散，得到混合液A；所述的聚合物单体为苯胺、吡咯、噻吩、3,4-乙撑二氧噻吩中的一种或几种的组合；
（2）在混合液A中加入金属化合物，充分分散，得到混合液B，其中金属化合物中的金属元素含量为混合溶液A中含有的磷酸铁锂质量的0.5~5%；所述的金属化合物为硝酸银、硝酸镍、硫酸镍、硝酸铜、硫酸铜、氯金酸、氯铂酸的一种；
（3）在混合液B中加入氧化剂，所述的氧化剂为过硫酸铵、双氧水、高锰酸钾、重铬酸钾、三氯化铁、硝酸银中的一种或几种的组合，其中氧化剂与混合液B中含有的聚合物单体的摩尔比为1：1～1：3，然后将所得反应混合物保持在0~30℃水浴超声1～4h，再室温静置1～2h，过滤、洗涤、干燥即得导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料。
2.如权利要求1所述的导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述的酸性溶液为浓度为0.1～5mol/L的甲酸、硝酸、醋酸溶液中的一种或几种的混合。
3.如权利要求2所述的导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中，每20mL酸性溶液加入0.02～0.15g聚合物单体。
4.如权利要求3所述的导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤（1）按照如下操作：取聚合物单体加入酸性溶液中，搅拌分散30~60min，然后加入磷酸铁锂粉末，超声分散30min~2h，得到混合液A。
5.如权利要求1~4之一所述的导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中，在混合液A中加入金属化合物，超声分散0.1~3小时，得到混合液B。
6.如权利要求5所述的导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于步骤（3）所述的洗涤为：采用酸性溶液、丙酮依次洗涤。
7.如权利要求6所述的导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于步骤（3）所述的干燥为：在60～80℃真空干燥10～24h。
8.如权利要求1所述的导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于所述制备方法按照如下步骤进行：
（1）取聚合物单体加入酸性溶液中，搅拌分散30~60min，然后加入磷酸铁锂粉末，超声分散30min~2h，得到混合液A；
（2）在混合液A中加入金属化合物，超声分散0.1~3小时，得到混合液B；
（3）在混合液B中加入氧化剂，然后将所得反应混合物保持在0~30℃水浴超声1～4h，再室温静置1～2h，过滤，滤饼采用酸性溶液、丙酮依次洗涤并在60～80℃真空干燥10～24h即得导电聚合物/纳米金属粒子共包覆的磷酸铁锂正极材料。
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