CN103165886A - 一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磷酸亚铁锂的制备方法,尤其是涉及一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法。其主要是解决现有技术所存在的磷酸亚铁锂材料振实密度低、体积容量比小、难以广泛应用等的技术问题。本发明将锂盐、铁盐、磷盐混合,再加入掺杂改性剂和碳源,在珠磨机中进行湿法球磨;喷雾干燥;将干燥后的前驱体在惰性或还原气氛中进行预烧结,保温后随炉冷却至室温,得到预烧结产物;将预烧结产物在惰性或还原气氛保护炉中进行高温烧结,随炉冷却至室温,即得到LiFePO4/C;将LiFePO4/C材料放入到旋转式融合球化机中进行处理,最后制备出成品高振实密度磷酸亚铁锂材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种磷酸亚铁锂的制备方法,尤其是涉及一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法。
背景技术
市售锂离子正极材料主要有LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等。LiCoO2是目前商品化主导的正极材料,但安全系数低、钴资源稀缺和成本提高,市场占有份额呈现逐年递减的趋势。尖晶石结构的LiMn2O4成本低,但容量低,循环性能差。LiFePO4正极材料理论容量高(170mAh/g)、循环寿命长(2000次)、高温环境下工作稳定无异常变化。
表1为LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4的理论振实密度与实际振实密度。
正极材料 | LiCoO2 | LiMn2O4 | LiFePO4 |
理论振实密度(g/ml) | 5.1 | 4.2 | 3.6 |
实际振实密度(g/ml) | 2.8 | 1.8 | 1.1 |
但是磷酸亚铁锂电子电导率低,离子扩散速度慢,采用原位碳包覆纳米技术是提高其电性能最普遍的方法;但却大幅度降低了振实密度,使LiFePO4/C的体积比容量显著下降,制成的电池体积较大,限制了LiFePO4/C的实际应用。目前国内也有一些专利报道过提高磷酸亚铁锂材料的振实密度,但用的都是比较复杂、难控制的化学方法。
发明内容
本发明是提供一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其主要是解决现有技术所存在的磷酸亚铁锂材料振实密度低、体积容量比小、难以广泛应用等的技术问题。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决:
本发明的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的方法包括:
a.将锂盐、铁盐、磷盐混合,其中Li:Fe:P摩尔比为1-1.2:1:1-1.1,再加入掺杂改性剂和碳源,在珠磨机中进行湿法球磨;
b.将步骤a所得原料进行喷雾干燥;
c.将干燥后的前驱体在惰性或还原气氛中进行预烧结,保温后随炉冷却至室温,得到预烧结产物;
d.将预烧结产物在惰性或还原气氛保护炉中进行烧结,保温后充分烧结,随炉冷却至室温,即得到LiFePO4/C;
e.将步骤d合成出的LiFePO4/C材料放入到旋转式融合球化机中进行处理,频率5-35Hz,时间为5min-300min,最后制备出成品高振实密度磷酸亚铁锂材料。
惰性或还原气氛为氮气、氩气、氢气中一种或几种组合。
作为优选,所述的方法采用离心式喷雾干燥造粒,其入口温度为150-250℃,出口温度为60-100℃。
作为优选,所述的步骤c中预烧结温度为200-450℃,保温2-10h;步骤d中烧结温度为550-800℃保温烧结4-20h。
作为优选,所述的锂盐为氧化锂、碳酸锂、硝酸锂、磷酸二氢锂、乙酸锂、氢氧化锂、磷酸锂、草酸锂、氯化锂、钒酸锂、中的一种或多种组合。
作为优选,所述的磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸、磷酸二氢锂、磷酸铵、磷酸铁、五氧化二磷中的一种或多种组合。
作为优选,所述的铁盐为磷酸铁、三氧化二铁、醋酸铁、草酸铁、硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁中的一种或多种组合。
作为优选,所述的掺杂改性剂为金属盐或金属氧化物,其中金属盐为镍、锌、镁、钛、铜、铬、锰、铌、钒的碳酸盐、硝酸盐、醋酸盐、草酸盐中的一种或几种组合;金属氧化物为镍、锌、镁、钛、铜、铬、锰、铌、钒的氧化物中的一种或几种组合;掺杂改性剂占磷酸铁锂材料总质量的0.5-20%。
作为优选,所述的碳源为天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、有机热解碳源、纳米导电材料的一种或多种组合;碳源占磷酸铁锂材料的质量比为0.8-20%;有机热解碳源为,醋酸纤维素、维生素C、葡萄糖、聚乙烯醇、酚醛树脂、羟甲基纤维素、聚苯乙烯、蔗糖、果糖、聚四氟乙烯、环氧树脂、淀粉、沥青、聚丙烯晴、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮的一种或多种组合;纳米导电材料为导电炭黑、石墨烯、纳米碳微球的一种或多种组。
作为优选,所述的湿法球磨以酒精、水、丙酮、异丙醇中的一种或几种混合为介质,球磨1-10h,球磨粒径控制在50nm-1000nm,球磨过程的固含量为15-60wt%,所用磨介为硅酸锆球、玛瑙球、氧化锆球、聚氨酯球、氧化铝球,球体直径在0.1-10mm中的一种或几种组合。
因此,本发明利用湿法球磨、喷雾干燥、高温烧结的方法制备出磷酸亚铁锂材料,采用物理方法来提高其振实密度,使其体积容量比较大、可以广泛应用。
附图说明
图1为实施例1的扫描电镜图;
图2为实施例2的扫描电镜图;
图3为比较例1的扫描电镜图;
图4为实施例1、2及比较例1的0.2C冲放电曲线。
具体实施方式
下面通过实施例,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1:本例的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其步骤为:
a.将锂盐、铁盐、磷盐按照摩尔比为1.05:1:1混合后,再加入聚乙二醇和硝酸镍,在球磨机中湿法球磨4h;
b.采用离心式喷雾造粒干燥机对步骤a所得原料进行喷雾干燥,入口温度为240℃,出口温度为100℃,得到球形前驱体;
c.将前躯体放入气体循环式炉窑内氮气保护下烧结,400℃预烧恒温5h冷却至室温,得到预烧结产物;
d.将预烧结产物在氮气保护下进行烧结,烧结温度680℃,恒温5h冷却至室温,即制得LiFePO4/C;
e.将步骤d合成出的LiFePO4/C材料放入到旋转式融合球化机中进行处理,频率20Hz,时间为120min,最后出成品高振实密度磷酸亚铁锂材料,振实密度为1.52g/ml、0.2C放电比容量为151mAh/g。
制备出来的高振实密度磷酸亚铁锂材料的扫描电镜图如图1所示。
以80:8:12的质量比分别称取实施例1所得的正极材料:super P:PVDF混合制得的浆料,均匀的涂覆在铝集流体上烘干,辊压制成正极片。选用金属锂片为负极,celgard2300为隔膜,电解液浓度为1.0M的LiPF6/EC+DEC+DMC(体积比为1:1:1),组装扣式电池。
实施例2:本例的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其步骤为:
a.将锂盐、铁盐、磷盐按照摩尔比为1.05:1:1混合后,再加入聚乙二醇和硝酸镍,在球磨机中湿法球磨4h;
b.采用离心式喷雾造粒干燥机对步骤a所得原料进行喷雾干燥,入口温度为240℃,出口温度为100℃,得到球形前驱体;
c.将前躯体放入气体循环式炉窑内氮气保护下烧结,400℃预烧恒温5h冷却至室温,得到预烧结产物;
d.将预烧结产物在氮气保护下进行烧结,烧结温度680℃,恒温5h冷却至室温,即制得LiFePO4/C;
e.将步骤d合成出的LiFePO4/C材料放入到旋转式融化球化机中进行处理,频率15Hz,时间为120min,最后出成品高振实密度磷酸亚铁锂材料,充放电条件同实施例1,振实密度为1.45g/ml、0.2C放电比容量为152.7mAh/g。
制备出来的高振实密度磷酸亚铁锂材料的扫描电镜图如图2所示。
实施例3:本例的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其步骤为:
a.将锂盐、铁盐、磷盐按照摩尔比为1:1:1混合后,再加入聚乙二醇和硝酸镍,在球磨机中湿法球磨4h;
b.采用离心式喷雾造粒干燥机对步骤a所得原料进行喷雾干燥,入口温度为240℃,出口温度为100℃,得到球形前驱体;
c.将前躯体放入气体循环式炉窑内氮气保护下烧结,400℃预烧恒温5h冷却至室温,得到预烧结产物;
d.将预烧结产物在氮气保护下进行烧结,烧结温度680℃,恒温5h冷却至室温,即制得LiFePO4/C;
e.将步骤d合成出的LiFePO4/C材料放入到旋转式融合球化机中进行处理,频率13Hz,时间为90min,最后出成品高振实密度磷酸亚铁锂材料,充放电条件同实施例1,振实密度为1.35g/ml、0.2C放电比容量为148.3mAh/g。
实施例4:本例的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其步骤为:
a.将锂盐、铁盐、磷盐按照摩尔比为1:1:1.05混合后,再加入聚乙二醇和硝酸镍,在球磨机中湿法球磨4h;
b.采用离心式喷雾造粒干燥机对步骤a所得原料进行喷雾干燥,入口温度为240℃,出口温度为100℃,得到球形前驱体;
c.将前躯体放入气体循环式炉窑内氮气保护下烧结,400℃预烧恒温5h冷却至室温,得到预烧结产物;
d.将预烧结产物在氮气保护下进行烧结,烧结温度680℃,恒温5h冷却至室温,即制得LiFePO4/C;
e.将步骤d合成出的LiFePO4/C材料放入到旋转式融合球化机中进行处理,频率17Hz,时间为100min,最后出成品高振实密度磷酸亚铁锂材料,充放电条件同实施例1,振实密度为1.4g/ml、0.2C放电比容量为146.4mAh/g。
比较例1:将锂盐、铁盐、磷盐按照摩尔比为1.05:1:1混合后,再加入聚乙二醇和硝酸镍。在珠磨机中湿法球磨4h,采用离心式喷雾造粒干燥机,入口温度为240℃,出口温度为100℃,得到球形前驱体;将前躯体放入气体循环式炉窑内氮气保护下烧结,400℃预烧恒温5h冷却至室温;氮气保护下680℃烧结恒温5h冷却至室温,即制得LiFePO4/C;充放电条件同实施例1。振实密度为1.1g/ml、0.2C放电比容量为151.3mAh/g。
制备出来的高振实密度磷酸亚铁锂材料的扫描电镜图如图3所示。
比较例2:将锂盐、铁盐、磷盐按照摩尔比为1.1:1:1混合后,再加入聚乙二醇和硝酸镍。在珠磨机中湿法球磨4h,采用离心式喷雾造粒干燥机,入口温度为240℃,出口温度为100℃,得到球形前驱体;将前躯体放入气体循环式炉窑内氮气保护下烧结,400℃预烧恒温5h冷却至室温;氮气保护下680℃烧结恒温5h冷却至室温,即制得LiFePO4/C;充放电条件同实施例1。振实密度为1g/ml、0.2C放电比容量为148.6 mAh/g。
比较例3:将锂盐、铁盐、磷盐按照摩尔比为1.1:1:1.05混合后,再加入聚乙二醇和硝酸镍。在珠磨机中湿法球磨4h,采用离心式喷雾造粒干燥机,入口温度为240℃,出口温度为100℃,得到球形前驱体;将前躯体放入气体循环式炉窑内氮气保护下烧结,400℃预烧恒温5h冷却至室温;氮气保护下680℃烧结恒温5h冷却至室温,即制得LiFePO4/C;充放电条件同实施例1。振实密度为1.02g/ml、0.2C放电比容量为147.3mAh/g。
以上所述仅为本发明的具体实施例,但本发明的结构特征并不局限于此,任何本领域的技术人员在本发明的领域内,所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (9)
1.一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的方法包括:
a.将锂盐、铁盐、磷盐混合,其中Li:Fe:P摩尔比为1-1.2:1:1-1.1,再加入掺杂改性剂和碳源,在珠磨机中进行湿法球磨;
b.将步骤a所得原料进行喷雾干燥;
c.将干燥后的前驱体在惰性或还原气氛中进行预烧结,保温后随炉冷却至室温,得到预烧结产物;
d.将预烧结产物在惰性或还原气氛保护炉中进行烧结,保温后充分烧结,随炉冷却至室温,即得到LiFePO4/C;
e.将步骤d合成出的LiFePO4/C材料放入到旋转式融合球化机中进行处理,频率5-35Hz,时间为5min-300min,最后出成品高振实密度磷酸亚铁锂材料。
2.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的方法采用离心式喷雾干燥造粒,其入口温度为150-250℃,出口温度为60-100℃。
3.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的步骤c中预烧结温度为200-450℃,保温2-10h;步骤d中烧结温度为550-800℃保温烧结4-20h。
4.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的锂盐为氧化锂、碳酸锂、硝酸锂、磷酸二氢锂、乙酸锂、氢氧化锂、磷酸锂、草酸锂、氯化锂、钒酸锂、中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸、磷酸二氢锂、磷酸铵、磷酸铁、五氧化二磷中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的铁盐为磷酸铁、三氧化二铁、醋酸铁、草酸铁、硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁中的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的掺杂改性剂为金属盐或金属氧化物,其中金属盐为镍、锌、镁、钛、铜、铬、锰、铌、钒的碳酸盐、硝酸盐、醋酸盐、草酸盐中的一种或几种组合;金属氧化物为镍、锌、镁、钛、铜、铬、锰、铌、钒的氧化物中的一种或几种组合;掺杂改性剂占磷酸铁锂材料总质量的0.5-20%。
8.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的碳源为天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、有机热解碳源、纳米导电材料的一种或多种组合;碳源占磷酸铁锂材料的质量比为0.8-20%;有机热解碳源为,醋酸纤维素、维生素C、葡萄糖、聚乙烯醇、酚醛树脂、羟甲基纤维素、聚苯乙烯、蔗糖、果糖、聚四氟乙烯、环氧树脂、淀粉、沥青、聚丙烯晴、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮的一种或多种组合;纳米导电材料为导电炭黑、石墨烯、纳米碳微球的一种或多种组。
9.根据权利要求1所述的一种高振实密度磷酸亚铁锂材料的制备方法,其特征在于所述的湿法球磨以酒精、水、丙酮、异丙醇中的一种或几种混合为介质,球磨1-10h,球磨粒径控制在50nm-1000nm,球磨过程的固含量为15-60wt%,所用磨介为硅酸锆球、玛瑙球、氧化锆球、聚氨酯球、氧化铝球,球体直径在0.1-10mm中的一种或几种组合。
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