CN103050696B - 纳米磷酸铁锂、其制备方法及应用 - Google Patents
纳米磷酸铁锂、其制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及纳米磷酸铁锂正极活性材料的制备方法，得到产品，以及在锂离子电池中的应用。本发明通过将海藻酸的使用与水热反应相结合，海藻酸既可用作碳包覆的碳源，又可用来限制颗粒的粒径；结合水热反应的简单操作对环境友好，可制备得到粒径在50-300nm范围内可调的纳米磷酸铁锂。将该纳米磷酸铁锂用作锂离子电池的正极活性材料，锂离子电池的高倍率性能得到明显改善，且具有良好的循环稳定性。
Description
【技术领域】
本发明涉及锂离子电池正极材料领域，尤其涉及纳米磷酸铁锂、其制备方法及应用。
【背景技术】
自Goodenough小组首次报道磷酸铁锂可以作为锂离子电池正极材料以来，磷酸铁锂以其低成本、环境友好、较高的比容量、循环寿命长、高温性能和安全性能好等优点成为一种理想的锂离子二次动力电池正极材料。但是磷酸铁锂低的电子电导率和锂离子扩散速率极大限制了其电化学性能的发挥，导致其首次充放电效率及倍率性能较差，严重制约其在动力锂离子电池中的大规模应用。
为了提高磷酸铁锂的电子电导率、锂离子扩散系数，提高其高倍率性能，常用的方法有两种：一种是通过颗粒表面的碳包覆、金属离子掺杂提高电子电导率；另一种是通过颗粒尺寸的纳米化缩短锂离子扩散距离，提高锂离子的扩散速率。
目前，商用的磷酸铁锂多为微米级，合成方法主要是高温固相合成，并通过掺杂、包覆等工艺提高材料的电导率和倍率性能，但效果不甚理想。因此，也亟需合成微纳米级甚至纳米尺寸的磷酸铁锂，以缩短锂离子的扩散距离，提高锂离子电导率和材料利用率，有效改善其倍率性能。
微纳米级磷酸铁锂的合成多采用湿化学法，包括溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法、碳热还原法以及微波合成法等。水热法的研究较多，水热反应操作简单、物相均匀、颗粒尺寸均一、结晶性好，制备的纳米尺寸的磷酸铁锂的低倍率性能得到了一定的提升，但高倍率性能有待进一步的改善和提高。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于，提供一种能够提高锂离子电池高倍率性能的纳米磷酸铁锂正极材料，其制备方法以及作为锂离子电池正极材料的应用。
本发明一方面提供一种制备纳米磷酸铁锂的方法，包括以下步骤：
S101将海藻酸溶于水性溶剂中，形成浓度为10-40mg/mL的海藻酸溶液；
S102依次添加锂源、磷源、铁源到海藻酸溶液中，形成混合液，其中锂源为锂盐，磷源为磷酸或磷酸盐，铁源为铁盐，并且其中锂源与铁源的摩尔比可以为2-3：1，磷源与铁源的摩尔比可以为1-2：1，海藻酸与铁源的摩尔比可以为0.05-1：1；
S103将混合液置于高压反应釜中，于120-220℃水热反应6-15小时，之后分离得到磷酸铁锂粉体；
S104在惰性气氛中，将磷酸铁锂粉体于500-900℃焙烧0.5-5小时，得到纳米磷酸铁锂。
步骤S103还可以包括使用水性溶剂洗涤磷酸铁锂粉体并干燥的纯化操作。
所述水性溶剂可以为水、多元醇、或水与多元醇的混合溶剂。
所述多元醇可以为乙二醇、一缩二乙二醇、丙三醇，或它们的任意组合。
所述锂盐可以选自氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硝酸锂，或它们的任意组合。
所述磷酸盐可以选自磷酸二氢钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二铵，或它们的任意组合。
所述铁盐可以选自硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁，或它们的任意组合。
本发明另一方面提供根据本发明的方法制备得到的纳米磷酸铁锂，其特征在于，所述纳米磷酸铁锂在用作锂离子电池正极活性材料时，该锂离子电池具有90-110mAh/g的10C充放电容量，以及1C充放电100个循环后97%以上的容量保持率。
所述纳米磷酸铁锂的粒径可以为50-300nm。
本发明再一方面提供一种锂离子电池，该锂离子电池的正极活性材料为根据本发明的方法制备得到的纳米磷酸铁锂。
本发明将海藻酸的使用与水热反应相结合，用于制备纳米磷酸铁锂，制备方法简单，环境友好。海藻酸在该水热反应过程中，一方面起到限制颗粒长大的作用，另一方面可作为碳源，在水热反应过程中可碳化包覆在生成的磷酸铁锂表面，改善磷酸铁锂的导电性。溶剂为水或者水和多元醇的混合溶剂，也能够起到限制颗粒生长的作用。
根据本发明的方法制备得到的结晶性磷酸铁锂具有50-300nm的纳米尺寸，且粒径可调。使用该纳米磷酸铁锂作为正极活性材料，制备得到的锂离子电池具有优异的高倍率性能和循环稳定性，在锂离子动力电池中有广泛的应用前景。
【附图说明】
图1为根据本发明的实施方案制备纳米磷酸铁锂的流程图。
图2为根据实施例1制备的纳米磷酸铁锂的X射线衍射分析（XRD）图。
图3为根据实施例4制备的纳米磷酸铁锂的扫描电镜图。
图4a和b分别为根据实施例5制备的纳米磷酸铁锂的低倍扫描电镜图和高倍扫描电镜图。
图5为采用实施例6制备的纳米磷酸铁锂的锂离子电池的倍率性能图。
图6为采用实施例6制备的纳米磷酸铁锂的锂离子电池在1C充放电的循环性能图。
图7为采用实施例8制备的纳米磷酸铁锂的锂离子电池的倍率性能图。
图8为采用实施例8制备的纳米磷酸铁锂的锂离子电池在1C充放电的循环性能图。
图9为采用实施例2制备的纳米磷酸铁锂的锂离子电池的倍率性能图。
图10为采用实施例9制备的纳米磷酸铁锂的锂离子电池的倍率性能图。
【具体实施方式】
海藻酸为一种生物多糖类大分子，在自然界中大量存在，价格低廉、方便易得。已有报道在溶胶-凝胶法制备磷酸铁锂正极材料的方法中，使用海藻酸作为碳源，制备碳包覆的纳米磷酸铁锂。然而，溶胶-凝胶法存在以下缺点：所用的有机金属盐价格昂贵，溶胶凝胶过程时间长，产物需经过长时间的高温热处理并放出大量气体及有机物。
本发明将水热反应与海藻酸的使用相结合，通过简单的水热反应来制备纳米磷酸铁锂；并创造性地在反应中加入了海藻酸，海藻酸的存在既能限制颗粒长大，同时还可以作为碳源，在反应中对纳米磷酸铁锂颗粒进行碳包覆。从而，利用海藻酸在水热反应中的双重功效，使得制备得到的纳米磷酸铁锂具有改善的高倍率性能。
图1所示为根据本发明的实施方案，制备纳米磷酸铁锂的方法流程图。
首先是步骤S101，将海藻酸溶于水性溶剂中，以形成海藻酸溶液。海藻酸溶液的浓度通常可以在10-40mg/mL的范围。海藻酸的浓度越大，则制备得到的纳米磷酸铁锂粒径越小，碳包覆的厚度越大。因此，对海藻酸浓度的选择可以由本领域技术人员根据实际需要来确定。
使用水性溶剂是进行水热反应的基础，因此，对于该步骤的海藻酸溶液来说，只需要溶液为水性的即可，而无需对溶剂类型进行具体的限定。例如，水性溶剂可以是水、多元醇（如乙二醇、一缩二乙二醇、丙三醇，或它们的任何混合），或是水与多元醇的混合溶剂。当为混合溶剂时，水与多元醇的比例可以根据需要，由本领域技术人员选择进行任意调配，即，多元醇的体积分数可以0-100%。
步骤S102为形成混合液的步骤，将锂源、磷源、铁源添加到上述海藻酸溶液中，形成混合液。其中锂源可以是锂盐；磷源可以是磷酸或磷酸盐；铁源可以是铁盐。
锂盐、磷酸或磷酸盐、铁盐可以由本领域技术人员根据需要进行选择，它们可以为水溶性的，其中锂盐可以是例如氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硝酸锂，或它们的任意混合物；磷酸盐可以是例如磷酸二氢钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二铵，或它们的任意混合物；铁盐可以是二价铁盐或三价铁盐，例如硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁，或它们的任意混合物。
混合液中，铁源的摩尔浓度可以为0.1-0.5mol/L，磷源的摩尔浓度可以为0.1-0.5mol/L，锂源的摩尔浓度可以为0.3-1.5mol/L。事实上，原料的浓度对本发明的制备方法影响不大，并因此可以由本领域技术人员根据需要进行选择和调整。
锂源与铁源的摩尔比可为2-3：1，磷源与铁源的摩尔比可为1-2：1。优选地，锂源、磷源、铁源的摩尔比为3：1：1。海藻酸与铁源的摩尔比可以为0.05-1：1。
之后，在步骤S103，将混合液置于高压反应釜中，水热反应，之后分离得到磷酸铁锂粉体。
水热范围的温度可以在120-220℃的范围，反应时间可以为6-15小时。磷酸铁锂粉体的分离可使用本领域常规的分离方法进行，例如离心分离。分离后的磷酸铁锂粉体还可以进一步纯化，用于去除溶剂中的多元醇、海藻酸以及它们未能包覆后的形成的碳化物等。例如可以用水和乙醇洗涤固体，随后干燥。
最后将磷酸铁锂粉体在惰性气氛中焙烧，得到纳米磷酸铁锂。惰性气氛可以是例如氮气、氩气等。焙烧可以去除产物颗粒中的物理、化学吸附水。
焙烧可以在500-900℃范围进行0.5-5小时。
通过调整原料浓度、海藻酸用量及混合溶液的配比，可对产物粒径进行控制，最终得到的纳米磷酸铁锂的粒径通常在50-300nm的范围。
这样的粒径范围有利于提高锂离子的扩散，促使一些在微米尺度下不能发生的反应进行（不破坏晶体结构，比容量保持）；减小扩散距离，t=L2/D，尤其是在b轴方向上缩短尺寸；电子传输能力增强；大的比表面积，增加同电解质的接触面积以及锂离子扩散面积；改变锂离子和电子的化学势，电极反应热力学的改变。
本发明还将该纳米磷酸铁锂作为正极活性材料，应用于锂离子电池，由此得到的锂离子电池具有优异的高倍率性能和循环稳定性。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
实施例1：纳米磷酸铁锂的制备
称取1g海藻酸溶于100ml水/丙三醇混合溶剂（丙三醇体积分数50%）中，搅拌均匀，得到海藻酸溶液，浓度为10mg/ml。
依次加入1.2717g氯化锂（LiCl）、1.1998g磷酸二氢钠（NaH2PO4）、4.0402g硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O），搅拌均匀后得到混合液。即锂源：磷源：铁源摩尔比为3：1：1。海藻酸与铁源的摩尔比为0.25：1。
将混合液放入高压反应釜中，150℃反应12小时，产物离心分离，用水和乙醇洗涤三次后，真空干燥，得到磷酸铁锂粉体。将干燥后的粉末在氮气气氛下，以10℃/min的升温速率升至700℃焙烧2.5小时，得到纳米磷酸铁锂。
图2为实施例1制备的纳米磷酸铁锂的X射线衍射分析（XRD）图，图中上方的谱线为实施例1制备的纳米磷酸铁锂；下方的浅色谱线为尖晶石结构磷酸铁锂（LiFePO4）的标准XRD谱图。
从图中可见，实施例1制备得到的纳米磷酸铁锂材料与尖晶石结构磷酸铁锂（LiFePO4）的标准XRD谱图相符。并且，本实施例制备得到的磷酸铁锂材料的纯度较高，不存在其他杂质；衍射峰明显宽化，也表明制备得到的纳米磷酸铁锂材料的颗粒尺寸较小，通过谢乐公式计算，晶粒尺寸约为23nm。
实施例2：纳米磷酸铁锂的制备
与实施例1类似，区别在于：称取4g海藻酸溶于100ml水/丙三醇混合溶剂（丙三醇体积分数50%）中，搅拌均匀，得到海藻酸溶液，浓度为40mg/ml。保持铁源的浓度不变，海藻酸与铁源的摩尔比为1：1。
实施例3：纳米磷酸铁锂的制备
称取2g海藻酸溶于100ml水/一缩二乙二醇混合溶剂（一缩二乙二醇的体积分数为50%）中，搅拌均匀，得到海藻酸溶液，浓度为20mg/ml。
依次加入3.9594g醋酸锂（CH3COOLi）、2.3006g磷酸二氢铵（NH4H2PO4）、5.406g氯化铁（FeCl3·6H2O），搅拌均匀后得到混合液。即锂源：磷源：铁源摩尔比为3：1：1。海藻酸与铁源的摩尔比为0.25：1。
将混合液放入高压反应釜中，180℃反应10小时，产物离心分离，用水和乙醇洗涤三次后，真空干燥，得到磷酸铁锂粉体。将干燥后的粉末在氮气气氛下，以1℃/min的升温速率升至500℃焙烧1小时，得到纳米磷酸铁锂。
实施例4：纳米磷酸铁锂的制备
与实施例2类似，区别在于锂源为2.758g硝酸锂；磷源为2.6412g磷酸氢二铵；铁源为8.0804g硝酸铁。即，即锂源：磷源：铁源摩尔比为2：1：1。海藻酸与铁源的摩尔比为0.25：1。
图3为根据实施例4制备的纳米磷酸铁锂的扫描电镜图。图中显示依据实施例4制备得到的磷酸铁锂材料粒径约为260nm。
实施例5：纳米磷酸铁锂的制备
称取2g海藻酸溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到海藻酸溶液，浓度为40mg/ml。
依次加入3.147g氢氧化锂（LiOH）、2.875g85%的浓磷酸（H3PO4）、6.95g硫酸亚铁（FeSO4·7H2O），搅拌均匀后得到混合液。即锂源：磷源：铁源摩尔比为3：1：1。海藻酸与铁源的摩尔比为0.2：1。
将混合液放入高压反应釜中，220℃反应6小时，产物离心分离，用水和乙醇洗涤三次后，真空干燥，得到磷酸铁锂粉体。将干燥后的粉末在氮气气氛下，以5℃/min的升温速率升至500℃焙烧2小时，得到纳米磷酸铁锂。
图4a和图4b分别为实施例5制备的磷酸铁锂材料的扫描电镜图。从图中可见，实施例5制备得到的磷酸铁锂材料粒径为50nm，材料的形貌规则、尺寸均一性好。
实施例6：纳米磷酸铁锂的制备
与实施例5类似，区别在于：称取0.5g海藻酸溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到海藻酸溶液，浓度为10mg/ml。铁源浓度不变，为0.5mol/L，海藻酸与铁源的摩尔比为0.05：1。
实施例7：纳米磷酸铁锂的制备
与实施例5类似，区别在于：水性溶剂为水；水热反应温度为120℃，水热反应时间为15小时；焙烧温度为900℃，焙烧时间为5小时。
实施例8：纳米磷酸铁锂的制备
与实施例5类似，区别在于：水性溶剂为水/乙二醇混合溶剂（乙二醇的体积分数为80%）；水热反应温度为170℃，水热反应时间为8小时；焙烧温度为800℃，焙烧时间为0.5小时。
实施例9：纳米磷酸铁锂的制备
与实施例5类似，区别在于：水性溶剂为水/一缩二乙二醇混合溶剂（一缩二乙二醇的体积分数为80%）；水热反应温度为200℃，水热反应时间为8小时；焙烧温度为800℃，焙烧时间为0.5小时。
实施例10：
与实施例5类似，区别在于：依次加入3.147g氢氧化锂（LiOH）、5.75g85%的浓磷酸（H3PO4）、6.95g硫酸亚铁（FeSO4·7H2O），搅拌均匀后得到混合液。即锂源：磷源：铁源摩尔比为3：2：1。
实施例11：电池性能测试
锂离子电池的制备：
将实施例6制备得到纳米磷酸铁锂、乙炔黑和聚偏氟乙烯按质量比80：10：10配制成正极浆料。将该正极浆料与粘结剂混合后涂覆于集流体铝箔片上得到正极。以锂金属片为负极，将正极、负极、隔膜和电解液组装得到锂离子电池。电解液采用锂离子电池用的常规电解液。在惰性气体手套箱中装配CR2032型扣式电池。
倍率性能测试：
测试仪器、条件：将装配好的电池在LAND充放电测试仪上进行充放电测试。测试的电压区间为2.0-4.3V。首先在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C、15C和20C的充放电倍率下测试以所制备的电池的倍率性能。然后在1C充放电倍率条件下测试电池的循环性能。
图5所示为针对该锂离子电池进行倍率性能测试的结果。从图中可见：0.1C充放电容量达到160mAh/g，接近磷酸铁锂的理论容量（170mAh/g）；10C充放电容量高达110mAh/g，20C充放电容量高达90mAh/g。可见，该锂离子电池具有良好的倍率性能。
图6所示为针对该锂离子电池进行循环性能测试的结果。从图中可见：1C充放电100个循环后该锂离子电池的容量保持率都高于98%。可见，该锂离子具有优异的循环性能。
实施例12：电池性能测试
锂离子电池的制备方法同实施例11类似，采用实施例8制备的纳米磷酸铁锂为正极活性物质制备的锂离子电池。
图7为针对该锂离子电池进行倍率性能测试的结果。从图中可见：0.1C充放电容量达到156mAh/g；10C充放电容量为107mAh/g，可见该锂离子电池具有良好的倍率性能。
图8所示为针对该锂离子电池进行循环性能测试的结果。从图中可见：1C充放电100个循环后该锂离子电池的容量仅从144.5mAh/g降低到140.8mAh/g,容量保持率为97%，平均每圈容量损失仅为0.03%，该锂离子具有优异的循环性能。
实施例13：电池性能测试
同实施例11类似，图9和图10为以实施例2和9制备的纳米磷酸铁锂为正极活性物质制备的锂离子电池的倍率充放电曲线，从图中可以看到，10C充放电时材料的比容量都在90mAh/g以上。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种制备纳米磷酸铁锂的方法，包括以下步骤：
S101将海藻酸溶于水性溶剂中，形成浓度为10-40mg/mL的海藻酸溶液；
S102添加锂源、磷源、铁源到海藻酸溶液中，形成混合液，其中锂源为锂盐，磷源为磷酸或磷酸盐，铁源为铁盐，并且其中锂源与铁源的摩尔比为2-3：1，磷源与铁源的摩尔比为1-2：1，海藻酸与铁源的摩尔比为0.05-1：1；
S103将混合液置于高压反应釜中，于120-220℃水热反应6-15小时，之后分离得到磷酸铁锂粉体；
S104在惰性气氛中，将磷酸铁锂粉体于500-900℃焙烧0.5-5小时，得到纳米磷酸铁锂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S103还包括使用水性溶剂洗涤磷酸铁锂粉体并干燥的纯化操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性溶剂为水、多元醇、或水与多元醇的混合溶剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多元醇为乙二醇、一缩二乙二醇、丙三醇，或它们的任意组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锂盐选自氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硝酸锂，或它们的任意组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷酸盐选自磷酸二氢钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二铵，或它们的任意组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁盐选自硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁，或它们的任意组合。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |