CN103224226A - 适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池领域，具体为适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂材料及其制备方法。本发明的磷酸铁锂的元素摩尔比例为，掺杂元素：锂：铁：磷=0~0.05：1~1.15：1：1~1.15。其制备方法包括：以有机溶剂为分散剂，采用湿法球磨，超细磨，真空干燥制备前驱体，预处理，恒温处理，粉碎，筛分，机械融合。产品可控性高，倍率性能、循环性能、容量等电性能和传统磷酸铁锂电池比得到了极大提高，大大增加了产业化可能，具有现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，具体是一种纳米磷酸铁锂材料，及采用有机溶剂为分散剂，经过超细磨，高温固相合成工艺来制备纳米磷酸铁锂的方法。
背景技术
自1997年A.K.Padhi首次报导LiFeP04具有脱嵌锂功能以来，橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料，LiFeP04（M：Mn，Fe，Co，Ni)，作为很有潜力的鲤离子电池正极材料倍受关注。其中理论容量为170rnAh/g的LiFeP04，以其丰富的铁资源，低廉的价格，优良的热稳定性和环境友好等特点，被认为是最有发展前景的锂离子电池正极材料。
目前合成磷酸铁锂的方法有高温固相反应法、液相共沉积法、水热法、液相氧化还原法、固相微波法和机械球磨法。
广泛使用的高温固相反应法(例如[J]A.K.Padhi et al Journal of the electrochemical Society， Vo1144， 1188一1194(1997)， [J]A. Yamada et al Journal of the electrochemical Society， Vo1148， A960-A967 (2001)，US Pat. 5910382， CN1401559A)是将亚铁盐如醋酸铁或草酸铁，与磷酸氢氨和锂盐如碳酸锂或氢氧化锂混合，在惰性气氛如氮气或氧气中，经300~350℃和500~800℃分阶段焰烧合成LiFeP04。
专利W002/083555A2中采用液相共沉积法，在控制PH值下，从相应的盐溶液中共沉积出磷酸亚铁和磷酸锂前驱体，将该前驱体在650~800℃焙烧制得LiFeP04。整个制备过程都是在氮气保护气氛中进行，不利于工业化。中国专利CN1431147A用液相共沉积法制备磷酸铁惶的前驱体时，采用密闭容器，免去了氮气保护气氛，制得的前驱体在500-800℃非氧化性气氛中焙烧5~48小时制得酸铁锤纳米粉末。该方法制得的磷酸铁鲤材料在0.5C恒电流放电时初次容量在130~ 147mAh/g范围，40次循环后容量衰减程度为3%~7%。
F.croce等在[J] Electrochemical and Solid-State Letters， 5 (3) A47-A50(2002)中利用溶胶-凝胶法制备LiFeP04材料。即将LiOH和Fe (N03) 3加入抗坏血酸溶液中，然后再与H3P04溶液混合。用氨水调节PH值，在60'C加热制得凝胶。该凝胶经氮气气氛350℃， 12小时热处理后，再经800℃， 24小时焙烧制备LiFeP04，该方法没有使用较贵的亚铁盐，而利用抗坏血酸将Fe3+还原为Fe2+，但工艺过程较麻烦。中国专利CN 1410349A用溶胶一凝胶法，以Fe (Ac) 2、LiAc、H4H2P04和酒石酸等有机酸为原料，在通氮气条件下， 80~100℃条件制得凝胶，该凝胶在还原气氛350~800℃下，焙烧得到LiFeP04粉体。该方法制备磷酸铁锤的全过程，包括原料Fe (Ac) 2的制备，都是在通氮气或还原气气氛中进行，操作不方便。
水热合成法主要是采用高压反应釜为反应容器，将前驱体溶液经高温高压反应直接合成LiFeP04。如Shoufeng Yang等在文献[J] ElectrochemistryCommunications, 3(2001) pp.505-508中，采用FeS04，H3P04和LiOH为原料,于120 ℃， 5小时水热反应合成了LiFeP04。S.Frange等在文献[J]Electrochmical and Solid-state letters， 2002， 5 (10)A231-A223中以Fe3P04 ·5H20和Li3P04为原料，在220℃， 24bar高温高压条件反应1小时制备LiFeP04。水热合成法需使用高压反应容器，对工业化生产不利。
Pier Paolo等在[J].Journal of the Electrochemical Society， 2002，
149 (7) A886-890中，用H202氧化亚铁盐制备FeP04，然后用LiI还原FeP04， 制备LiFeP04，该方法可制得电化学性能优良的磷酸铁埋材料，但是所用的LiI试剂价格较贵，不合适工业化生产。
Masashi Higuchi等在[J].Journal of power sources 119-121(2003)258-261中，Li2C03,NH4H2P04和Fe (CH3COO)2或Fe (CH3CHOHCOO) 2. 2H20为原料用微波法合成LiFeP04。此合成方法简单易行，但该文献中的合成产物电化学性能还不够理想。
日本SONY公司([J].Journal of power sources 119-121(2003)232-238，JP2001250555,JP200275356和日本专利JP2003采用Fe3 (P04) 2.8H20和Li3P04为原料用机械球磨法或高温固相法制备LiFeP04。这些方法需先制备Fe3 (P04) 2.8H20，专利]P2003292307A中用液相沉积法制备Fe3 (P04) 2.8H20。而用液相沉积法制备纯净的Fe3 (P04) 2.8H20比较困难。
以上方法虽然为LiFeP04制备提高的不少方法，但是各自都有缺点，而且LiFeP04具有电子导电率和离子导电率低的缺点，通常所制备出来的材料倍率特性较差，也就是说，电池在大电流充放电时，电池容量相对于小电流充放时明显降低(例如，小于70%)。
发明内容
本发明针对上述方法存在不足之处，提出了一种适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂材料及其制备方法，本发明采用的原料为化学试剂或者工业原料，对生产条件要求不高，制备方法为有机溶剂高温固相法，易于实现工业化生产。
一种适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂材料，该材料以锂、铁、磷盐为基体，基体外包覆有纳米炭材料的复合微粒，所述复合颗粒呈球形或长短径比为 1.3～1；磷酸铁锂的元素摩尔比例为，掺杂元素：锂：铁：磷=0~0.05：1~1.15：1：1~1.15。
进一步改进，所述的掺杂元素选自Mn，Co，Ni，V，Cr，Cu，Mg，Nb中的一种或以上；所述的锂源选自氢氧化锂、碳酸锂、磷酸二氢锂中的一种或几种；所述的铁源选自氧化铁、四氧化三铁、草酸亚铁、正磷酸铁、无水磷酸铁、磷酸亚铁中的一种或几种；所述的磷源选自正磷酸铁、无水磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸二氢锂、磷酸二氢氨、磷酸一氢氨中的一种或几种。
本发明还提供了一种制备所述的适用于高倍率动力电池用纳米磷酸铁锂的方法，将上述比例的锂盐、磷酸盐、铁盐，以及磷酸铁锂质量1-20%的导电剂前驱体和固体总质量1~20倍的有机溶剂组成混合物，将上述混合物放入球磨设备中，球磨0.5~36小时，然后经过超细磨设备超细磨0.5~36小时，超细磨结束后置于真空干燥设备中干燥0.5~10小时，在氮气或氮氢混合气中，以1~30℃/min加热速率升温，于450~800℃恒温熔烧4~30小时，然后以1~10℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂或掺杂磷酸铁锂，最后经过粉碎设备粉碎和机械融合设备混合处理，制得磷酸铁锂成品。
进一步改进，所述的导电剂前驱体选自庶糖，糊精，葡萄糖，淀粉中的一种或以上；所述的有机溶剂选自乙醇，异丙醇中的一种或以上。
进一步改进，所述的球磨容器选自玛瑶球磨罐、聚氨醋球磨罐、碳化鸽球磨罐、刚玉球磨罐、氧化锆球磨罐中的一种。
进一步改进，所述的球磨设备为立式球磨机，卧式球磨机，振动球磨机中的一种；所述的超细磨设备为砂磨机，高速球磨机，振动球磨机中的一种。
进一步改进，所述的真空干燥设备为双锥真空干燥机，真空耙式干燥机中的一种；所述的烧结设备为网带炉，推板炉，辊道窑，回转炉中的一种；所述的粉碎设备为气流粉碎机，机械粉碎机中的一种；所述的机械融合设备为双螺旋锥形混合机，立式混合机，旋转型混合机中的一种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)所选用的原料都为产业化高的原料或者对应的化学试剂，避免由于原料带来的不可控性，大大增加了产业化可能，具有现实意义。
(2)本发明的磷酸铁锂合成方法，增加有机溶剂为分散剂，使原料分散均匀，并采用超细磨处理方法处理前躯体，使原料达到分子水平的混合，使最后生成的磷酸铁锂晶体结构完整均一，产品可控性高，产品的导电率得到极大提高，从而使产品的倍率性能、循环性能、容量等电性能得到极大提高。
(3)本发明有机溶剂分散高温固相合成工艺制备磷酸铁锂的方法，原料成分和产物配方容易控制，合成的磷酸铁鲤产物纯度高，电化学性能优良，材料颗粒呈类球形，颗粒为纳米颗粒，粒度为0.04~0.1um，材料包覆均匀。本发明合成的磷酸铁锂材料与金属锂片组装成测试电池，在O. 2C倍率放电时，可逆比容量达160mAh/g以上，在lC倍率放电时比容量达155mAh/g以上；且表现出优秀的循环稳定性。
附图说明
图l按实施例l所制备的LiFeP04/C的X射线衍射图谱。
图2按实施例l所制备的LiFeP04/C的扫描电镜照片。
图3按实施例l所制备的LiFeP04/C的透射电镜照片。
图4按实施例l所制备锂离子电池充放电曲线，电压范围2.0~3.8V。
图5按实施例1所制备锂离子电池的循环特性图，电压范围2.0~3.8V。
图6按实施例1所制备锂离子电池的倍率性能图，电压范围2.0~3.8V。
具体实施方式
实施例1 :
将草酸亚铁（1177g）、碳酸锂（263g）、磷酸铁二氢氨（1250g）、葡萄糖（500g）、异丙醇（6000g）置于球磨机中球磨3小时，然后在砂磨机中超细磨3小时，再在双锥真空干燥机中干燥4小时，得前躯体，前躯体D50在0.4~0.8um；然后在推板炉中以氮气为保护气体，以2℃/min加热速率升温，于700℃恒温熔烧20小时，以4℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂；再经过气流粉碎机粉碎10min，最后经双螺旋锥形混合机混合2小时，制得磷酸铁锂成品。
如图1所示，X射线衍射分析结果表明所制得的磷酸铁锂为橄榄石型磷酸铁锂；
图2扫描电镜照片表明一次颗粒在50~100nm之间，颗粒呈类球形，长宽比为1.3~1。图3透射电镜照片表明颗粒大小均匀，碳包覆均匀；
图4按实施例l所制备锂离子电池充放电曲线，电压范围2.0~3.8V，0.2C放电容量160mAh/g；
图5按实施例1所制备锂离子电池的循环特性图，电压范围2.0~3.8V,循环性能优异；
图6所制备锂离子电池的倍率性能图，倍率性能非常好0.5C容量保持率为99%，1C容量保持率为97%，2C容量保持率为96%，3C容量保持率为97%。
实施例2 :
将草酸亚铁（1798g）、磷酸二氢锂（1046g）、葡萄糖（400g）、异丙醇（6000g）置于球磨机中球磨3小时，然后在砂磨机中超细磨3小时，再在双锥真空干燥机中干燥4小时，得前躯体，前躯体D50在0.4~0.8um；然后在推板炉中以氮气为保护气体，以2℃/min加热速率升温，于720℃恒温熔烧20小时，以4℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂；再经过气流粉碎机粉碎10min，最后经双螺旋锥形混合机混合2小时，制得磷酸铁锂成品，合成的LiFeP04/C材料与金属锂片组装成测试电池，在1C倍率放电时，可逆比容量达153mAh/g。
实施例3 :
将草酸亚铁（1750g）、磷酸二氢锂（1046g）、葡萄糖（400g）、氧化铌（18g）、异丙醇（6000g）置于球磨机中球磨3小时，然后再砂磨机中超细磨3小时，再在双锥真空干燥机中干燥4小时，得前躯体，前躯体D50在0.4~0.8um；然后在推板炉中以氮气为保护气体，以2℃/min加热速率升温，于720℃恒温熔烧20小时，以4℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂；再经过气流粉碎机粉碎10min，最后经双螺旋锥形混合机混合2小时，制得磷酸铁锂成品，合成的LiFeP04/C材料与金属锂片组装成测试电池，在1C倍率放电时，可逆比容量达155mAh/g。
实施例4 :
将磷酸铁（2000g）、碳酸锂（404g）、葡萄糖（300g）、异丙醇（6000g）置于球磨机中球磨3小时，然后在砂磨机中超细磨3小时，再在双锥真空干燥机中干燥4小时，得前躯体，前躯体D50在0.4~0.8um；然后在推板炉中以氮气为保护气体，以2℃/min加热速率升温，于750℃恒温熔烧20小时，以4℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂；再经过气流粉碎机粉碎10min，最后经双螺旋锥形混合机混合2小时，制得磷酸铁锂成品，合成的LiFeP04/C材料与金属锂片组装成测试电池，在1C倍率放电时，可逆比容量达156mAh/g。
比较实施例1 :
将草酸亚铁（1177g）、碳酸锂（263g）、磷酸铁二氢氨（1250g）、葡萄糖（500g）、二级纯水（6000g）置于球磨机中球磨3小时，然后在砂磨机中超细磨3小时，再在经过喷雾干燥，得前躯体；然后在推板炉中以氮气为保护气体，以2℃/min加热速率升温，于700℃恒温熔烧20小时，以4℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂；再经过气流粉碎机粉碎10min，最后经双螺旋锥形混合机混合2小时，制得磷酸铁锂成品。在1C倍率放电时，可逆比容量只有130mAh/g。
比较实施例2 :
将草酸亚铁（1177g）、碳酸锂（263g）、磷酸铁二氢氨（1250g）、葡萄糖（500g）、异丙醇（6000g）置于球磨机中球磨3小时，再在双锥真空干燥机中干燥4小时，得前躯体，然后在推板炉中以氮气为保护气体，以2℃/min加热速率升温，于700℃恒温熔烧20小时，以4℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂；再经过气流粉碎机粉碎10min，最后经双螺旋锥形混合机混合2小时，制得磷酸铁锂成品。在1C倍率放电时，可逆比容量只有140mAh/g。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂材料，其特征在于：该材料以锂、铁、磷盐为基体，基体外包覆有纳米炭材料的复合微粒，所述复合颗粒呈球形或长短径比为 1.3～1；磷酸铁锂的元素摩尔比例为，掺杂元素：锂：铁：磷=0~0.05：1~1.15：1：1~1.15。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂材料，其特征在于：所述的掺杂元素选自Mn，Co，Ni，V，Cr，Cu，Mg，Nb中的一种或以上；所述的锂源选自氢氧化锂、碳酸锂、磷酸二氢锂中的一种或几种；所述的铁源选自氧化铁、四氧化三铁、草酸亚铁、正磷酸铁、无水磷酸铁、磷酸亚铁中的一种或几种；所述的磷源选自正磷酸铁、无水磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸二氢锂、磷酸二氢氨、磷酸一氢氨中的一种或几种。
3.一种制备权利要求1所述的适用于高倍率动力电池用纳米磷酸铁锂材料的方法，其特征在于：将上述比例的锂盐、磷酸盐、铁盐，以及磷酸铁锂质量10-20%的导电剂前驱体和固体总质量1~2倍的有机溶剂组成混合物，将上述混合物放入球磨设备中，球磨0.5~36小时，然后经过超细磨设备超细磨0.5~36小时，超细磨结束后置于真空干燥设备中干燥0.5~10小时，在氮气或氮氢混合气中，以1~30℃/min加热速率升温，于450~800℃恒温熔烧4~30小时，然后以1~10℃/min降温速度冷却至室温，制得磷酸铁锂或掺杂磷酸铁锂，最后经过粉碎设备粉碎和机械融合设备混合处理，制得磷酸铁锂成品。
4.根据权利3所述的制备适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂的方法，其特征在于：所述的导电剂前驱体选自庶糖，糊精，葡萄糖，淀粉中的一种或以上；所述的有机溶剂选自乙醇，异丙醇中的一种或以上。
5.根据权利3所述的制备适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂的方法，其特征在于：所述的球磨容器选自玛瑶球磨罐、聚氨醋球磨罐、碳化鸽球磨罐、刚玉球磨罐、氧化锆球磨罐中的一种。
6.根据权利3所述的制备适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂的方法，其特征在于：所述的球磨设备为立式球磨机，卧式球磨机，振动球磨机中的一种；所述的超细磨设备为砂磨机，高速球磨机，振动球磨机中的一种。
7.根据权利3所述的制备适用于高倍率动力电池的纳米磷酸铁锂的方法，其特征在于：所述的真空干燥设备为双锥真空干燥机，真空耙式干燥机中的一种；所述的烧结设备为网带炉，推板炉，辊道窑，回转炉中的一种；所述的粉碎设备为气流粉碎机，机械粉碎机中的一种；所述的机械融合设备为双螺旋锥形混合机，立式混合机，旋转型混合机中的一种。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130731 |