CN103022425B - 一种磷酸铁锂材料的制备方法及一种锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磷酸铁锂材料的制备方法,包括下述步骤:步骤1、将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,得到混合溶液;步骤2、在所述混合溶液中加入磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料。本发明还提供了一种锂离子电池。本发明的制备方法将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,使得氢氧化锂与纤维素反应并溶解于水中,然后再加入磷酸铁分散后制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料,这种固液法制备磷酸铁锂弥补了固相法的不足,使得原料的分散均匀、反应均一,并且降低了材料的杂质含量,提高了材料的比容量,并且使得磷酸铁锂材料的包碳更为均匀。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,更具体地说,涉及一种磷酸铁锂材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池作为高比能量的化学电源已经广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、摄像机、照相机、便携式仪器仪表等领域,也是各国大力研究的电动汽车、空间电源的首选配套电源,成为可替代能源的首选。近年来,正交晶系橄榄石型LiFePO4成为锂离子电池正极活性物质的研究热点。LiFePO4作为锂离子电池用正极活性物质与其它正极活性材料相比具有良好的电化学性能,充放电平台十分平稳,充放电过程中结构稳定,且具有无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点。
现有的磷酸铁锂材料的制备方法主要是固相法,固相法工艺简单,在产业化中最早实现,并且固相法能够制得粒径较小且容量较高的颗粒,但是固相法采用传统砂磨或者球磨法将原材料混合均匀,设备的磨蚀不可避免,由于设备通常采用钢或铁材料制成,固相法不可避免的会引入Fe杂质;而且由于固相法为固体与固体之间的反应,现有技术中固相法一般是以碳酸锂、磷酸亚铁和碳源为主要原料,由于碳酸锂和磷酸亚铁均是难溶于水和有机溶剂的化合物,三者物理混合会出现局部混合不均匀的现象,具有局部反应不均一的缺点,并且由于原料局部混合不均一导致反应后的局部材料为非磷酸铁锂材料,其作为杂质混合到磷酸铁锂材料中,从而导致放电效率低、比容量低以及重现性差。
发明内容
本发明旨在解决现有的磷酸铁锂材料的制备方法易引入杂质,并且局部反应不均一,使得所制得的磷酸铁锂放电效率低、比容量低、重现性差的技术问题。
本发明的发明人发现采用现有的固相法制备磷酸铁锂,原料会出现局部混合不均匀的现象,本发明的发明人经过长期的研究发现,采用固液法制备磷酸铁锂弥补了固相法的不足,本发明的固液法是以氢氧化锂作为锂源,将纤维素作为碳源,氢氧化锂与纤维素能够在低温下反应,并能够溶解于水中,然后再加入磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料,这种固液法使得原料的分散均匀,反应均一;并且,碳源预先与锂源反应,使得磷酸铁锂材料的包碳更为均匀。
本发明提供了一种磷酸铁锂材料的制备方法,所述制作方法包括:
步骤1、将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,得到混合溶液;
步骤2、在所述混合溶液中加入磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料。
优选地,在步骤1中,所述反应的温度为-5℃~-20℃。
优选地,所述反应在冰盐水冷却的情况下进行,将所述冰盐水的温度控制在-5℃~-20℃。
优选地,以100重量份的磷酸铁锂材料为基准,所述纤维素的添加量为1-35重量份;所述氢氧化锂的添加量为1-20重量份,所述磷酸铁的添加量为1-95重量份。
优选地,在步骤1中,将助溶剂与氢氧化锂混合并溶于水中,所述助溶剂为含有C=O、C-S、-NH2基团中的一种或几种的低沸点溶剂。
优选地,以100重量份的磷酸铁锂材料为基准,所述助溶剂的重量为1-20重量份。
优选地,在步骤2中,在加入磷酸铁后,加入纯水制成浆料,然后用乳化分散机进行分散后喷雾干燥。
优选地,在步骤2中,所述浆料的固含量为10-50%。
优选地,在步骤2中,将浆料的温度控制在-5℃~-10℃;所述喷雾干燥的条件为使浆料以10~30ml/min的速度进入喷雾机中,在干燥温度为180~220℃条件下进行喷雾干燥;所述烧结的条件为在惰性气体气氛下进行,烧结温度为700℃±100℃,烧结时间为6-8h。
本发明还提供了一种锂离子电池,包括正极、负极和设置于正极、负极之间的隔膜,所述正极包括正极集电体及涂覆于正极集电体上的正极活性材料,其中,所述正极活性材料采用如上所述的制备方法制备得到。
本发明的磷酸铁锂材料的制备方法将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,氢氧化锂与纤维素能够在低温下反应,并能够溶解于水中,然后再加入磷酸铁分散后制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料,这种固液法制备磷酸铁锂弥补了固相法的不足,使得原料的分散均匀、反应均一,并且降低了材料的杂质含量,提高了材料的比容量;另外,由于纤维素预先与氢氧化锂反应,使得磷酸铁锂材料的包碳更为均匀;采用所述磷酸铁锂材料的锂离子电池的比容量较高,并且循环性能较好。
具体实施方式
本发明的发明人发现纤维素在强碱和低温环境下能够与锂源发生化学反应转变为碱纤维,本发明的发明人进一步的研究发现,采用氢氧化锂作为锂源,将氢氧化锂溶解于水中,然后加入纤维素,在低温环境下进行反应:
(C6H10O5)n+3nLiOH→C6nH7nO2n(OLi)3n+3nH2O。
纤维素与氢氧化锂在低温下反应转变为碱纤维,同时大量的水分子进入纤维素内部,使得纤维素膨胀,从而拆散纤维素无定型区大分子之间的结合力,使纤维素溶解于水中。然后加入磷酸亚铁或磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后即可得到性能稳定、杂质含量少、比容量高的磷酸铁锂材料。本发明采用固液混合,将极大的改善原料的混合效果,并且采用纤维素作为碳源,将其先与锂源结合在一起,再参与反应制成磷酸铁锂,使得包碳更均匀,所制得的磷酸铁锂材料具有较高的比容量和较好的放电效率,材料的性能得到大幅度的提升。
据此,本发明提供了一种磷酸铁锂材料的制备方法,包括下述步骤:
步骤1、将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,得到混合溶液。
在本发明中,采用氢氧化锂作为锂源,采用纤维素作为碳源,将氢氧化锂溶解于水中,然后加入纤维素,在低温环境下进行反应:(C6H10O5)n+LiOH→C6H7O2(OLi)3+3H2O
纤维素与氢氧化锂在低温下反应转变为碱纤维,同时大量的水分子进入纤维素内部,使得纤维素膨胀,从而拆散纤维素无定型区大分子之间的结合力,使纤维素溶解于水中。
值得一提的是,氢氧化锂可以在常温下溶于水,但是纤维素必须在-5℃以下与氢氧化锂发生反应才会变为澄清的液体,也就是说纤维素与氢氧化锂需要在低温下才能进行反应,反应温度小于-5℃,优选地,反应温度为-5℃~-20℃。由于盐水的凝固点可以达到-5℃以下,因而,在本发明中,选择盐水作为纤维素与氢氧化锂的反应介质,将氢氧化锂溶于水中,然后在冰盐水的环境下,将温度降至-5℃以下,然后加入纤维素,充分搅拌进行反应和溶解。
在本发明中,以100重量份的磷酸铁锂材料为基准,所述纤维素的添加量为1-35重量份;所述氢氧化锂的添加量为1-20重量份。如果加入的纤维素的量过少,纤维素和氢氧化锂在转换成碱纤维时不充分,液体中同时有氢氧化锂和碱纤维的存在,在与磷酸铁接触时,会有大量氢氧化铁的生成,最终将严重影响材料的整体性能,因而,在优选的情况下,所述纤维素的添加量为20-35重量份,并且纤维素与氢氧化锂的含量比为(1.5~2.5):1时,所述得到的磷酸铁锂材料的性能最佳。
在本步骤中,优选地,将氢氧化锂溶解于水的过程中,还加入有助溶剂,由于助溶剂在常温和低温下均易溶于水,将助溶剂与氢氧化锂混合并溶于水中,然后再加入纤维素进行反应,当然也可以在加入纤维素的同时加入助溶剂,优选与氢氧化锂同时加入;所述助溶剂为含有C=O、C-S、-NH2基团中的一种或几种的低沸点溶剂;C=O、C-S、-NH2的引入,很容易与纤维素大分子形成分子间氢键而拆散纤维素晶区大分子间的结合力,从而有助于纤维素溶解于水中。所述助溶剂优选为尿素(CO(NH2)2)、硫脲(SC(NH2)2)中的一种。以100重量份的磷酸铁锂材料为基准,所述助溶剂的重量为1-20重量份,优选5-15重量份。
步骤2、在所述混合溶液中加入磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料。
在本步骤中,将磷酸铁加入到步骤1制备的混合溶液中,补加适量的水,然后用分散机,例如:Fluko乳化分散机进行分散,制成浆料。所述浆料的固含量为10-50wt%,即在所述浆料中,磷酸铁的含量为10-50wt%。在本发明中,优选采用磷酸铁,采用单一的磷酸铁代替磷源、铁源来制备磷酸铁锂材料,能够避免较多副反应的发生,因为原材料的种类越多,中间的副反应可能会增多,对生成最终的磷酸铁锂材料不利;而采用磷酸亚铁Fe2(PO4)3,由于Fe/P比小于1,不能够形成纯相磷酸铁锂。所述磷酸铁为纳米磷酸铁,粒径为50-500nm。
在本步骤中,控制浆料的温度低于-5℃,优选将浆料的温度控制在-5℃~-10℃,因为在高于-5℃时纤维素锂有可能会发生溶解度降低的现象,此时它会以沉淀的形式析出,将极有可能造成与磷酸铁混合的偏析。
在本步骤中,所述补加的水优选为去离子水、纯水,使得原料的分散效果更好,并且减少副反应的发生。可按比例加入纯水定容至5-10L;例如:对于10L容积的分散机,加入混合溶液、磷酸铁后,再补加纯水定容至5-10L。
在本步骤中,将上述浆料喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料。所述喷雾干燥的作用是作为动态干燥,防止纤维素析出,或者出现于纤维素与磷酸铁混合的偏析,喷雾干燥的条件为在180~220℃的温度下将浆料以10~30ml/min的速度进行喷雾干燥。所述烧结的条件为在惰性气体气氛下进行,烧结温度为700℃±100℃,烧结时间为6-10h。所述喷雾干燥、烧结的过程已为本领域技术人员所公知,在此不做赘述。
本领域的技术人员知道,因为磷酸铁锂材料的导电性能较差,因而通常需要在磷酸铁锂材料的表面包覆一层碳。本发明通过将作为碳源的纤维素与作为锂源的氢氧化锂进行反应并溶解于水,然后再加入磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥至浆料不再流动,然后在惰性气体保护下进行烧结(烧结的温度为780±50℃)得到包碳磷酸铁锂材料,这种包碳磷酸铁锂材料无疑将使磷酸铁锂包碳更为均匀。
进一步地,本发明还提供了一种锂离子电池,包括:正极、负极和设置于正极、负极之间的隔膜。所述负极包括负极集电体及涂覆于负极集电体上的负极活性材料,所述负极集电体可采用铜箔,所述负极活性材料可采用本领域常见的负极活性材料,例如:碳材料。所述负极活性材料通过添加粘结剂、溶剂形成浆料涂覆在负极集电体上,所述粘接剂和溶剂没有特别的限制,通常是用于锂离子电池的负极制备的公知粘接剂和溶剂,例如:粘结剂常用CMC(羧甲基纤维素钠)、溶剂常用SBR(丁苯橡胶)。
所述正极包括基板和附在基板上的正极材料。基板可采用铝箔或镍网。正极的制备方法没有特别的限制,可以是通过拉浆得到。所述正极材料含有正极活性材料、粘接剂,并且还可以含有导电剂。所述锂离子电池与现有技术的区别在于所述正极活性材料通过本发明的制备方法制备得到,即采用下述步骤制备得到:步骤1、将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,得到混合溶液;步骤2、在所述混合溶液中加入磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料,作为本发明的锂离子电池的正极活性材料。
上述锂离子电池的负极、电解液和隔膜,均可采用本领域技术人员公知的各种负极、电解液和隔膜,本发明没有特别限制。
综上所述,本发明的磷酸铁锂材料的制备方法将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,氢氧化锂与纤维素能够在低温下反应,并能够溶解于水中,然后再加入磷酸铁分散后制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料,这种固液法制备磷酸铁锂弥补了固相法的不足,使得原料的分散均匀、反应均一,并且降低了材料的杂质含量,提高了材料的比容量;另外,由于纤维素预先与氢氧化锂反应,使得磷酸铁锂材料的包碳更为均匀;采用所述磷酸铁锂材料的锂离子电池的比容量较高,并且循环性能较好。
下面将通过具体实施例对本发明做进一步的具体描述。
实施例1
1)、先将15g尿素(CO(NH2)2)和24g无水氢氧化锂溶液混合并溶于200ml纯水中,在冰盐水作为冷却介质的情况下将上述溶液的温度降至-10℃,然后加入52g纤维素,充分搅拌直至完全溶解,得到混合溶液;
2)、在上述混合溶液中加入151g纳米磷酸铁,补加纯水100g制成浆料,用Fluko乳化分散机分散20min,整个乳化过程控制浆料温度低于-5℃;再将浆料以10ml/min的速度进入喷雾机中,在干燥温度为200℃条件下喷雾干燥,得到粉料;然后将气氛炉先升温至700℃,气氛炉中氮气流量为50L/h,放入粉料,烧结8h后得到磷酸铁锂材料A1。
实施例2
本实施例2与实施例1的主要区别在于降低了纤维素的添加量;
1)、先将15g尿素(CO(NH2)2)和24g无水氢氧化锂溶液混合并溶于200ml纯水中,在冰盐水作为冷却介质的情况下将上述溶液的温度降至-10℃,然后加入27g纤维素,充分搅拌直至完全溶解后,得到混合溶液;
2)、在上述混合溶液中加入151g纳米磷酸铁,补加纯水100g制成浆料,用Fluko乳化分散机分散20min,整个乳化过程控制浆料温度低于-5℃;再将浆料以10ml/min的速度进入喷雾机中,在干燥温度为200℃条件下喷雾干燥,得到粉料;然后先将气氛炉升温至700℃,气氛炉中氮气流量为50L/h,再放入粉料,烧结8h后得到磷酸铁锂材料A2。
实施例3
本实施例3与实施例1的主要区别在于采用了另一种助溶剂;
1)、先将20g硫脲(SC(NH2)2)和24g无水氢氧化锂溶液混合并溶于200ml纯水中,在冰盐水作为冷却介质的情况下将上述溶液的温度降至-15℃,然后加入51g纤维素,充分搅拌直至完全溶解,得到混合溶液;
2)、在上述混合溶液中加入151g纳米磷酸铁,补加纯水100g制成浆料,用Fluko乳化分散机分散25min,整个乳化过程控制浆料温度为-10℃;再将浆料在入口温度220℃条件下以25ml/min的速度喷雾干燥,得到粉料;然后将气氛炉先升温至700℃,气氛炉中氮气流量为40L/h,放入粉料,烧结6h后得到磷酸铁锂材料A3。
实施例4
本实施例4与实施例1的主要区别在于不添加助溶剂;
1)、先将24g无水氢氧化锂溶液混合并溶于200ml纯水中,在冰盐水作为冷却介质的情况下将上述溶液的温度降至-8℃,然后加入40g纤维素,充分搅拌直至完全溶解,得到混合溶液;
2)、在上述混合溶液中加入160g纳米磷酸铁,补加纯水100g制成浆料,用Fluko乳化分散机分散15min,整个乳化过程控制浆料温度为-5℃;再将浆料在入口温度220℃条件下以25ml/min的速度喷雾干燥,得到粉料;然后将气氛炉先升温至800℃,气氛炉中氮气流量为40L/h,放入粉料,烧结10h后得到磷酸铁锂材料A4。
对比例 1
本对比例1用于说明纤维素固相法;
先将36g纳米碳酸锂、151g纳米磷酸铁、51g纤维素混合,然后加入纯水300g制成浆料,用Fluko乳化分散机分散20min;再将浆料在入口温度200℃条件下以10ml/min的速度喷雾干燥,得到粉料;然后将气氛炉升温至700℃,再放入粉料,烧结8h后得到磷酸铁锂材料D1。
对比例 2
本对比例2用于说明传统的固相法;
先将36g纳米碳酸锂、151g纳米磷酸铁、21g葡萄糖混合,然后加入纯水300g制成浆料,用Fluko乳化分散机分散20min;再将浆料在入口温度200℃条件下以10ml/min的速度喷雾干燥,得到粉料;然后先将气氛炉升温至700℃,再放入粉料,烧结8h后得到磷酸铁锂材料D2。
测试性能
1、测试电池的制备:
(1)正极片的制备:将实施例1-4制备的磷酸铁锂材料A1-A4以及对比例1-2制备的包碳磷酸铁锂材料D1-D2分别作为正极活性材料,将正极材料、乙炔黑和PVDF以重量比为100:4:5溶于N-甲基吡咯烷酮中,搅拌均匀后涂敷在铝箔上,烘烤,温度为100±5℃,使用压片机碾压到一定的厚度,滚切成正极片;
(2)负极片的制备:将石墨、乙炔黑和PVDF以重量比为100:3:6溶于N-甲基吡咯烷酮中,搅拌均匀后涂敷在铜箔上,烘烤,温度为100±5℃,使用压片机碾压到一定的厚度,滚切成负极片;
(3)将上述正、负极片与聚丙烯隔膜卷绕成方形锂离子电池电芯,收置于电池壳中并进行焊接,随后注入1.0mol/L的 LiPF6/EC+EMC+DMC(其中,EC、EMC和DMC质量比为1:1:1)电解液,密封,制成测试电池。
2.1、比容量测试:
在室温下,将测试电池搁置5min,先以0.8mA恒流充电,截至电压3.8V,在3.8V恒压充电,截至电流0.1mA,搁置5min,以0.8mA恒流放电,限制电压2.5V。计算其比容量,结果见表1。
2.2、循环性能测试
在室温下,将测试电池先以0.8mA恒流充电,限制电压3.8V,在3.8V恒压充电,截至电流0.1mA,搁置5min,以0.8mA恒流放电。重复500次,计算500次容量保持率,结果见表1。
表1
从表1中可以看出,本发明实施例1-4的制备方法制得的磷酸铁锂材料制作的比容量,重现性得到大幅度提高,其主要原因在于:纤维素首先与氢氧化锂结合生成碱纤维,这种碱纤维在低温下溶解于水得到澄清液体,然后再加入磷酸铁,本发明的方法由传统的固固混合变为固液混合,极大的改善了原料混合不均一的现象;同时锂源和碳源先进行反应,也极大的改善了碳包覆不均一的现象,提高了磷酸铁锂材料的比容量。
对比实施例1和实施例2中可以看出,实施例2的比容量和放电效率较低,其原因可能在于:纤维素的量较少,纤维素和氢氧化锂在转换成碱纤维时不充分,液体中同时有氢氧化锂和碱纤维的存在,在与磷酸铁接触时,会有大量氢氧化铁的生成,最终将严重影响材料的整体性能,但其均一性相对于对比例仍有很大提高,说明固液混合相对于固固混合更能得到性能均一的材料。
综上所述,采用本发明实施例1-4的制备方法制得的磷酸铁锂材料制作锂离子电池,相较于采用对比例1-2制备的磷酸铁锂材料制作的锂离子电池,采用本发明实施例1-2的磷酸铁锂材料制得的锂离子电池具有较高的比容量、较好的容量保持率以及放电效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磷酸铁锂材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括下述步骤:
步骤1、将氢氧化锂溶于水中,然后加入纤维素进行反应,得到混合溶液;
步骤2、在所述混合溶液中加入磷酸铁制成浆料,经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料;
在步骤1中,所述反应的温度小于-5℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤1中,所述反应的温度为-5℃~-20℃。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述反应在冰盐水冷却的情况下进行,将所述冰盐水的温度控制在-5℃~-20℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,以100重量份的磷酸铁锂材料为基准,所述纤维素的添加量为1-35重量份;所述氢氧化锂的添加量为1-20重量份,所述磷酸铁的添加量为1-95重量份。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤1中,将助溶剂与氢氧化锂混合并溶于水中,所述助溶剂为含有C=O、C-S、-NH2基团中的一种或几种的低沸点溶剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,以100重量份的磷酸铁锂材料为基准,所述助溶剂的重量为1-20重量份。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤2中,在加入磷酸铁后,加入纯水制成浆料,然后用乳化分散机进行分散后喷雾干燥。
8.根据权利要求1或7所述的制备方法,其特征在于,在步骤2中,所述浆料的固含量为10-50%。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤2中,将浆料的温度控制在-5℃~-10℃;所述喷雾干燥的条件为使浆料以10~30ml/min的速度进入喷雾机中,在干燥温度为180~220℃条件下进行喷雾干燥;所述烧结的条件为在惰性气体气氛下进行,烧结温度为700℃±100℃,烧结时间为6-8h。
10.一种锂离子电池,包括正极、负极和设置于正极、负极之间的隔膜,所述正极包括正极集电体及涂覆于正极集电体上的正极材料,所述正极材料包含正极活性材料,其特征在于,所述正极活性材料采用如权利要求1-9任意一项所述的制备方法制备得到。
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- 2011-09-26 CN CN201110287316.XA patent/CN103022425B/zh active Active
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