CN103606647B - 一种碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料，以磷酸铁锂混合物粉体为载体，通过化学键合方式键合1wt%‑8wt%的碳纳米管成分，形成碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料。

Description

一种碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料
技术领域
本发明属于电极材料领域，特别是涉及一种碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料。
背景技术
锂离子电池具有电压高、无记忆效应、能量密度高及循环性能良好等特点，已广泛用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等便携式电子设备中。锂离子电池的正极材料的性能决定了锂离子电池的性能。目前，传统的锂离子电池正极材料包括钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）和锰酸锂（LiMnO2），由于钴有毒且钴资源有限、镍酸锂制备困难、锰酸锂的循环性能和高温性能差。因此，这些锂离子电池正极材料无法满足锂离子电池向比容量高、寿命长、成本低和环境兼容方面发展的要求。
橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFeP04)正极材料是目前业内普遍使用的正极材料，这是因为该材料具有来源丰富、价格低廉、无环境污染、容量较高、稳定性好、安全可靠等优点。但是与上述传统材料相比，磷酸铁锂正极材料的电子电导率和离子扩散速率极低，因而在高电流密度下充放电容量很低，只能在极小电流下进行充放电，这就大大限制了其在实际中的应用。因此，如何提高磷酸铁锂的电子电导率是当前业内亟待解决的问题。
碳纳米管是一种中空的碳纤维，管壁由一层或数层石墨烯卷曲而成，管径为数纳米至数十纳米之间。碳纳米管管长可达数十到数百个微米。碳纳米管具有优异的电学性能，利用其空腔结构产生的高比表面积，能够应用到锂离子电池中作为电极材料，从而提高锂离子电池的电学性能。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料，采用本发明的碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料来作为正极材料，可以提高电子电导率和例子扩散速率，从而提高锂电池的性能。
本发明提出的碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料，以磷酸铁锂混合物粉体为载体，通过化学键合方式键合1wt%-8wt%的碳纳米管成分，形成碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料。
其中，所述磷酸铁锂混合物粉体由Li1-xRx+yFe1-yPO4、金属化合物以及导电助剂混合而成，按照重量份计，包括：90-110份的Li1-xRx+yFe1-yPO4、15-25份的金属化合物以及5-15份的导电助剂。
其中Li1-xRx+yFe1-yPO4的锂位和铁位都含有替位金属元素R，替位金属元素R为从由铝、镍、钛和镁组成的组中选择的任意一个金属元素或任意两个金属元素，并且，0.03≤x≤0.09，0.03≤y≤0.09。
其中碳纳米管的管径为20-150nm；
其中，金属化合物为由硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸钠、硝酸钾、醋酸铁、醋酸镍、醋酸钴、硫酸钠、硫酸钾、碳酸钠、碳酸钾、氯化钠和氯化钾所组成的组中选择的一种或两种；
其中，导电助剂为由乙炔黑、导电石墨、导电碳黑、蔗糖和葡萄糖所组成的组中选择的一种或两种。
本发明的碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料具有如下的有益效果：
1.通过碳纳米管键合磷酸铁锂，利用碳纳米管的高比表面积，提高锂电池的电容量；
2.通过采用替位金属元素来部分取代磷酸铁锂中的锂和铁，可以进一步提高磷酸铁锂电极材料的电容量，并且还能提升其充放电性能；
3.加入金属化合物，可以降低磷酸铁锂电极材料在烧结过程中的烧结温度、缩短烧结时间；
4.加入导电助剂，更进一步提高磷酸铁锂电极材料的放电比容量。
具体实施方式
本发明提出的碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料，以磷酸铁锂混合物粉体为载体，通过化学键合方式键合1wt%-8wt%的碳纳米管成分，形成碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料。
其中，所述磷酸铁锂混合物粉体由Li1-xRx+yFe1-yPO4、金属化合物以及导电助剂混合而成，按照重量份计，包括：90-110份的Li1-xRx+yFe1-yPO4、15-25份的金属化合物以及5-15份的导电助剂。
其中Li1-xRx+yFe1-yPO4的锂位和铁位都含有替位金属元素R，替位金属元素R为从由铝、镍、钛和镁组成的组中选择的任意一个金属元素或任意两个金属元素，并且，0.03≤x≤0.09，0.03≤y≤0.09。
其中碳纳米管的管径为20-150nm；
其中，金属化合物为由硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸钠、硝酸钾、醋酸铁、醋酸镍、醋酸钴、硫酸钠、硫酸钾、碳酸钠、碳酸钾、氯化钠和氯化钾所组成的组中选择的一种或两种；
其中，导电助剂为由乙炔黑、导电石墨、导电碳黑、蔗糖和葡萄糖所组成的组中选择的一种或两种。
下面介绍本发明提出的碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料的制造方法，所述方法依次包括如下步骤：
（1）按照前文所述的重量份，将90-110份的Li1-xRx+yFe1-yPO4、15-25份的金属化合物以及5-15份的导电助剂加入到搅拌容器中，并加入去离子水后充分搅拌混合，从而得到混合物；
（2）将混合物放入干燥箱中进行干燥处理，其中干燥温度为120-140℃，干燥时间为7-8小时；
（3）制作粉体，将干燥后的混合物投入研磨机中进行研磨，得到所述混合物的粉体；
（4）将所述混合物粉体放入管式炉中，通入氮气将管式炉中的空气排出后抽空，再通入氢气和乙炔，其中氢气和乙炔的流量比为1:1.5，然后将管式炉升温，升温速率为10℃/分钟，直至升温至600-700℃后保持该温度，然后反应10-15分钟，反应结束后通入氮气进行冷却至室温，即得到碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料。
下面介绍本发明的优选实施例：
本发明提出的碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料，以磷酸铁锂混合物粉体为载体，通过化学键合方式键合5wt%的碳纳米管成分，形成碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料。
其中，所述磷酸铁锂混合物粉体由Li1-xRx+yFe1-yPO4、金属化合物以及导电助剂混合而成，按照重量份计，包括：100份的Li1-xRx+yFe1-yPO4、20份的金属化合物以及10份的导电助剂。
其中Li1-xRx+yFe1-yPO4的锂位和铁位都含有替位金属元素R，替位金属元素R为钛和镁，并且，x=0.05，y=0.05；
其中碳纳米管的管径为60nm；
其中，金属化合物为醋酸铁；
其中，导电助剂为由乙炔黑或导电碳黑。
所述碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料的制造方法依次包括如下步骤：
（1）按照前文所述的重量份，将100份的Li1-xRx+yFe1-yPO4、20份的金属化合物以及10份的导电助剂加入到搅拌容器中，并加入去离子水后充分搅拌混合，从而得到混合物；
（2）将混合物放入干燥箱中进行干燥处理，其中干燥温度为130℃，干燥时间为7小时20分钟；
（3）制作粉体，将干燥后的混合物投入研磨机中进行研磨，得到所述混合物的粉体；
（4）将所述混合物粉体放入管式炉中，通入氮气将管式炉中的空气排出后抽空，再通入氢气和乙炔，其中氢气和乙炔的流量比为1:1.5，然后将管式炉升温，升温速率为10℃/分钟，直至升温至660℃后保持该温度，然后反应12分钟，反应结束后通入氮气进行冷却至室温，即得到碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料。
至此已对本发明做了详细的说明，但前文的描述的实施例仅仅只是本发明的优选实施例，其并非用于限定本发明。本领域技术人员可对本发明做任何的修改，而本发明的保护范围由所附的权利要求来限定。

Claims (1)

1.一种碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料，以磷酸铁锂混合物粉体为载体，通过化学键合方式键合1wt％-8wt％的碳纳米管成分，形成碳纳米管键合磷酸铁锂电极材料；
其中，所述磷酸铁锂混合物粉体由Li1-xRx+yFe1-yPO4、金属化合物以及导电助剂混合而成，按照重量份计，包括：100份的Li1-xRx+yFe1-yPO4、20份的金属化合物以及10份的导电助剂；其中Li1-xRx+yFe1-yPO4的锂位和铁位都含有替位金属元素R，替位金属元素R为从由铝、镍、钛和镁组成的组中选择的任意一个金属元素或任意两个金属元素，并且，x＝0.09，y＝0.09；其中碳纳米管的管径为20nm；
其中，金属化合物为由硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸钠、硝酸钾、醋酸铁、醋酸镍、醋酸钴、硫酸钠、硫酸钾、碳酸钠、碳酸钾、氯化钠和氯化钾所组成的组中选择的一种或两种；
其中，导电助剂为由导电石墨、导电碳黑、蔗糖和葡萄糖所组成的组中选择的一种或两种。
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