CN103647049A - 一种磷酸铁锂薄膜电极的制备方法 - Google Patents

一种磷酸铁锂薄膜电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磷酸铁锂薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：(1)制备工序：按Li∶Fe∶P＝1∶0.95～1.05∶0.95～1.05(摩尔比)，将磷酸铁锂前驱体配制成溶胶、凝胶或以流变相、球磨方式配制成浆料，加入粘结剂和增稠剂至粘度为6000～25000Pa·s；(2)灌注工序：室温下将前驱体通过浸渍或压入方法灌注入多孔性泡沫金属；(3)烘干：将上述灌注完成的薄膜电极烘干；(4)压实：取出干燥完成的薄膜电极，用辊压机压实；(5)烧结：将压实完毕的薄膜电极置于氮气气氛下烧结。本发明工艺简单，合成流程短，操作方便，环境友好、再现性强，并且可以普遍适用。

Description

一种磷酸铁锂薄膜电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种磷酸铁锂薄膜电极的制备方法。
背景技术
1997年J·B·Gooodenough等人合成出具有橄榄石型的LiFePO4并将其用于正极作为活性物质。LiFePO4的理论比容量为170mAh/g，放电平台为3.4V，自放电小、在低电流密度下LiFePO4中的Li+几乎可以100％嵌入/脱嵌；具有循环寿命长、循环性能好、无记忆效应、价格低廉、热稳定性好、对环境友好等优点。目前已经成为替代钴酸锂正极材料的理想选择之一。尤其是在大功率电动工具(例如电动汽车)领域，磷酸铁锂正极活性材料以其优异的安全性能，具有良好的应用前景。
现有的制备磷酸铁锂电池的工业化生产过程中，均采用将磷酸铁锂正极材料、乙炔黑、聚偏氟乙烯均匀的在N-甲基-吡咯烷酮中分散，形成浆料后，采用流延法，在金属箔基地上涂布，待N-甲基-吡咯烷酮完全蒸发后，磷酸铁锂正极材料和乙炔黑通过N-甲基-吡咯烷酮粘接在金属箔基底上。在此过程中会出现很多问题，主要体现在：(1)材料的比表面对材料的粘接性能产生较大的影响，较大的比表面积会阻止聚偏氟乙烯粘结性能的发挥；(2)较差的粘结性能使得敷料与金属箔底粘接不紧，轻者影响电池的压实密度和直流内阻，重者直接影响电极片在辊压过程中产生掉粉等问题；(3)较小的就压实密度和较大的直流内阻直接影响电池产品的性能，包括电化学性能和安全性能。
鉴于上述的情况，一些研究小组也已经开始采用金属基底薄膜作为锂离子电池电极材料。美国斯坦福大学的崔屹教授领导的课题组在不锈钢上沉积纳米硅线，并将其作为锂离子电池负极，取得非常好的循环性能和倍率性能。(Nature Nanotech)合肥工业大学张卫新教授领导的课题组采用微乳液方法在铜基底上生长齿轮状CuO材料作为锂离子电池负极也具有良好的放电容量和倍率性能(Adv.Funct.Mater.)。科学界普遍认为这种薄膜电极能有效地增强材料的电子散逸能力，缩短锂离子的脱嵌路径、容纳材料在充放电过程中的体积变化，从而使得材料具有优异的电化学性能。此外，就加工来说，这种电极可以免合浆、涂布等工艺，极大的简化了电池的制作流程。
通过文献的查阅，我们发现，这种带有金属基底作为锂离子电池电极，大多数集中在过渡金属氧化物、Si/Sn基等负极材料中，这可能与组分相对较少，制备过程相对简单所致。也有一些研究小组采用激光沉积的方法在不锈钢基底上沉积磷酸铁锂正极材料，并取得良好的电化学性能，(Adv.Funct.Mater.)但是这种技术需要用到较为昂贵的设备。
泡沫镍是具有3D结构的金属基底，这对于电子散逸的作用相较于不锈钢、铝箔等材料具有良好的电化学性能。因而，本发明就是在上述的优秀成果的基础上，采用一个简单的固相技术，在泡沫镍的表面灼烧上一层磷酸铁锂正极材料，从而制成LFP/Ni电极。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种磷酸铁锂薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备工序：将磷酸铁锂前驱体按Li：Fe：P的摩尔比为1：0.95～1.05：0.95～1.05配制成溶胶、凝胶或以流变相、球磨方式配制成浆料，加入粘结剂和增稠剂至粘度为6000～25000Pa·s；
(2)灌注工序：室温下将前驱体通过浸渍或压入方法灌注入多孔性泡沫金属；
(3)烘干：将上述灌注完成的薄膜电极烘干；
(4)压实：取出干燥完成的薄膜电极，用辊压机压实；
(5)烧结：将压实完毕的薄膜电极置于氮气气氛下烧结。
作为优选，步骤(1)中所述磷酸铁锂前驱体中Li：Fe：P的摩尔比为1：0.95～1.05：0.95～1.05。
作为优选，步骤(1)中所述磷酸铁锂前驱体物相为悬浊浆料或流变相物质或溶胶或凝胶。
作为优选，步骤(1)中所述磷酸铁锂前驱体的锂源为碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂、醋酸锂、氧化锂、磷酸锂、磷酸二氢锂等物质中的一种或两种及以上混合物；所述磷酸铁锂前驱体的磷源为磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸二氢铵、磷酸铁等物质中的一种或两种及以上混合物；所述磷酸铁锂前驱体的铁源为磷酸铁、氧化铁、碱式氧化铁、草酸亚铁、柠檬酸铁等物质中的一种或两种及以上混合物；所述磷酸铁锂前驱体的碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸的一种或两种及以上混合物。
作为优选，步骤(1)中所述粘结剂和增稠剂为SBR、PF、CMC中的一种或两种及以上混合物。
作为优选，步骤(2)中所述多孔性泡沫金属为薄膜电极基材。
作为优选，步骤(3)中所述薄膜电极的烘干温度为60～120℃。
作为优选，步骤(4)中所述薄膜电极辊压到原来厚度的1/4～1/2。
作为优选，步骤(5)中所述烧结条件为450～750℃下烧结5～20小时。
本发明的有益效果是：
本发明工艺简单，合成流程短，操作方便，环境友好、再现性强，并且可以普遍适用。
本发明与传统的磷酸铁锂生产、研究采用的方法相比，免掉合浆、涂布等环节，制备出的材料可以直接作为锂离子电池正极。
泡沫镍的引入，使得上面附着的磷酸铁锂正极材料在充放电过程中电子更容易的散逸，增强材料的电化学动力学特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例1所制备的薄膜电极粉末的XRD图
图2是本发明实施例1所制备的薄膜电极的XRD图
图3是本发明实施例1所制备的薄膜电极的FESEM照片
图4是本发明实施例1所制备的薄膜电极的横截面FESEM照片
具体实施方式
下面是本发明非限定制备实施例，通过这些实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
称取磷酸二氢锂6.24g，纳米级氧化铁红4.79g(MLi：MFe：MP＝1.00：0.98：1.00)，葡萄糖2.0g，SBR0.26g，酒精25g，在行星式球磨机中按球料比4：1球磨6h，获得粘度在16000～20000Pa·s的前驱体浆料。
将浆料按照面密度2000～5000g/m2涂覆于泡沫镍表面，将涂覆完毕的泡沫镍在80℃下烘烤10h至干燥完全。
将泡沫镍辊压至原始厚度的1/2后，在氮气气氛下烧结，烧结温度为650℃，12h。制备得到一次合成的薄膜电极。
图1为从电极中刮下的粉体的XRD图。从中可以看出材料的大部分的衍射峰可以指标化为正交晶系的磷酸铁锂正极材料(JCPDS83～2092)，标注有*的衍射峰可以指标化为立方晶系的Ni的衍射峰(JCPDS65～2865)。图2为对薄膜电极的XRD图，由其中的Ni特征峰可知其在反应中能保持稳定状态。图3为材料的FESEM照片。从中可以看出产物中金属镍骨架完好，磷酸铁锂分布均匀，避免了极片中常见的团聚现象。图4为极片断面的FESEM照片，可见其中磷酸铁锂材料填充紧密，无粘结剂下仍然保有较大的面密度。
实施例2：
称取磷酸二氢铵6.291g，氧化铁红4.9g，碳酸锂2.024g，(MLi：MFe：MP＝1.00：0.98：1.00)葡萄糖1.82g，CMC0.25g，去离子水40g，在行星式球磨机中按球料比4：1球磨6h，获得粘度在16000～20000Pa·s的前驱体浆料。
将浆料按照面密度1200-2000g/m2涂覆于泡沫镍表面，将涂覆完毕的泡沫镍在100℃下烘烤20h至干燥完全。
将泡沫镍辊压至原始厚度的1/2后，在氮气气氛下烧结，烧结温度为700℃，10h。制备得到一次合成的薄膜电极。
实施例3：
称取磷酸铁9.23g，碳酸锂2.024g，(MLi：MFe：MP＝1.00：1.00：1.02)葡萄糖2.2g，PF0.2g，酒精40g，在行星式球磨机中按球料比4：1球磨5h，获得粘度在16000～20000Pa·s的前驱体浆料。
将浆料按照面密度1200-2000g/m2涂覆于泡沫镍表面，将涂覆完毕的泡沫镍在80℃下烘烤10h至干燥完全。
将泡沫镍辊压至原始厚度的1/2后，在氮气气氛下烧结，烧结温度为650℃，6～20h。制备得到一次合成的薄膜电极。
实施例4：
称取磷酸二氢锂6.24g，草酸亚铁8.81g，(MLi：MFe：MP＝1.00：0.98：1.00)葡萄糖2.0g，SBR0.26g，酒精25g，在行星式球磨机中按球料比4：1球磨6h，获得粘度在16000～20000Pa·s的前驱体。
将浆料按照面密度2000～5000g/m2涂覆于泡沫镍表面，将涂覆完毕的泡沫镍在80℃下烘烤10h至干燥完全。
将泡沫镍辊压至原始厚度的1/2后，在氮气气氛下烧结，烧结温度为450～800℃，6～20h。制备得到一次合成的薄膜电极。
实施例5：
称取磷酸二氢铵6.291g，柠檬酸铁15.00g，碳酸锂2.12g，(MLi：MFe：MP＝1.04：1.00：1.00)葡萄糖1.82g，CMC0.25g，去离子水100g，配制成水溶液，在60℃下蒸发至粘度为6000～20000Pa·s，形成溶胶。
将溶胶按照面密度2000～5000g/m2涂覆于泡沫镍表面，将涂覆完毕的泡沫镍在100℃下烘烤24h至干燥完全。
将泡沫镍辊压至原始厚度的1/2后，在氮气气氛下烧结，烧结温度为650℃，10h。制备得到一次合成的薄膜电极。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磷酸铁锂薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备工序：将磷酸铁锂前驱体按Li：Fe：P的摩尔比为1：0.95～1.05：0.95～1.05配制成溶胶、凝胶或以流变相、球磨方式配制成浆料，加入粘结剂和增稠剂至粘度为6000～25000Pa·s；
(2)灌注工序：室温下将前驱体通过浸渍或压入方法灌注入多孔性泡沫金属；
(3)烘干：将上述灌注完成的薄膜电极烘干；
(4)压实：取出干燥完成的薄膜电极，用辊压机压实；
(5)烧结：将压实完毕的薄膜电极置于氮气气氛下烧结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述磷酸铁锂前驱体物相为悬浊浆料或流变相物质或溶胶或凝胶。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述磷酸铁锂前驱体的锂源为碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂、醋酸锂、氧化锂、磷酸锂、磷酸二氢锂等物质中的一种或两种及以上混合物；所述磷酸铁锂前驱体的磷源为磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸二氢铵、磷酸铁等物质中的一种或两种及以上混合物；所述磷酸铁锂前驱体的铁源为磷酸铁、氧化铁、碱式氧化铁、草酸亚铁、柠檬酸铁等物质中的一种或两种及以上混合物；所述磷酸铁锂前驱体的碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸的一种或两种及以上混合物。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述粘结剂和增稠剂为SBR、PF、CMC中的一种或两种及以上混合物。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述多孔性泡沫金属为薄膜电极基材。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述薄膜电极的烘干温度为60～120℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述薄膜电极辊压到原来厚度的1/4～1/2。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述烧结条件为450～750℃下烧结5～20小时。
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