CN103872319A - 一种锂电池正极材料及锂电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锂电池正极材料及锂电池制备方法，所述锂电池采用无水硫酸铁作为正极材料，由于硫酸铁中所有组成元素都是地球上含量丰富的元素，本发明提供的正极材料成本较低、环保性较好、纯度高以及倍率特性好。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池的制作工艺，尤其涉及一种新型的锂电池正极材料及其包含该正极材料的锂电池制作工艺。
背景技术
当前，人类正面临着资源估计和生存环境恶化的双重挑战。为此，世界各国正在努力研发新材料，推进低碳生活的新理念，促进人类社会由目前的高能耗、高消耗生活生产方式转向节能型、可循环的可持续发展方式。具体为大力推广清洁能源的应用，如太阳能、风能在发电领域的应用，以及使用混合动力汽车或纯电动汽车代替目前使用汽油的传统汽车。
清洁能源和新型汽的应用均离不开中大型储能电池和动力电池。在众多储能电池和动力电池中，锂离子二次电池由于具有较高的能量密度和较长的使用寿命，已经逐渐取代传统的镍氢 / 镍镉二次电池，其在新能源汽车、风电储能和太阳能储能等新兴领域拥有巨大发展前景。
锂离子二次电池包括正极、负极、设置在正极与负极之间的隔膜和电解液。其中，正极包括基体和涂覆在该基体上的涂覆材料，涂覆材料包括正极材料 ( 正极活性物质 )、导电材料和粘结剂。其中，正极材料是锂离子二次电池的关键原材料，由于正极材料在锂离子二次电池中占有较大的重量比，因此正极材料性能决定了电池的体型、安全性和电学性能。
因此，寻找一种新的锂电池正极材料，以避免现有的正极材料制作高成本、工艺复杂、环境污染大等问题，已经成为业界普遍关注的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂电池正极材料及包含该正极材料的锂电池制作方法，该锂电池采用成本低廉、利于制作的材料为正极材料，从而解决锂电池制作工艺中成本昂贵、工艺复杂，且环境污染大等问题。
根据本发明的目的提出的一种锂电池正极材料，其正极材料采用无水硫酸铁。
根据本发明的另一目的提出的包含上述正极材料的锂电池制备方法，包括步骤 ：
1) 制备无水硫酸铁 ；
2)以上述无水硫酸铁为正极，以金属锂为负极，以1Mol/L的LiPF6/EC+DMC为电解液，组装成扣式电池。
优选的，所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：以三氧化二铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，将三氧化二铁溶解于硫酸溶液中，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，得到硫酸铁结晶体，然后将结晶体至于 450 度空气条件下热处理 9 小时，自然冷却到室温。
优选的，所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：以四氧化三铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，将四氧化三铁溶解于硫酸溶液中，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，得到硫酸铁结晶体，然后将结晶体至于 450 度空气条件下热处理 9 小时，自然冷却到室温。
优选的，所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：以氢氧化亚铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，将氢氧化亚铁溶解于硫酸溶液中，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，使其中的二价铁被氧化成三价铁，得到硫酸铁结晶体，然后将结晶体至于 350 度空气条件下热
处理 21 小时，自然冷却到室温。
优选的，所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：以三氧化二铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，首先将三氧化二铁溶解于硫酸溶液中，然后加入柠檬酸，加入的柠檬酸的质量为硫酸铁质量的 50％，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，得到胶状产物，然后将胶状产物至于 450 度氮气条件下热处理 9 小时，随后氧气条件下热处理 3 小时，自然冷却到室温。
优选的，所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：以三氧化二铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，首先将三氧化二铁溶解于硫酸溶液中，然后加入柠檬酸，加入的柠檬酸的质量为硫酸铁产量的 30％，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，得到胶状产物，然后将胶状产物至于 400 度氮气条件下热处理 15 小时，随后氧气条件下热处理 3 小时，自然冷却到室温。
优选的，所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：以硫酸铁为原材料，首先将其与乙炔黑充分混合，然后至于 400 度氮气条件下热处理 9 小时，随后氧气条件下热处理 3 小时，自然冷却到室温。
作为锂离子电池正极使用时，硫酸铁的优势在于 ：
1 ：价格低，原材料丰富。硫酸铁中所有组成元素都是地球上含量丰富的元素，这一点使其价格很低。
2 ：环保。硫酸铁中的成份都是日常生活中常见的，对环境没有污染，也不会分解产生对环境有污染的产物。
3 ：制备容易。无论是利用成品的硫酸铁，还是利用铁源制备硫酸铁，都只需简单的处理就可以作为锂离子电池正极使用。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种锂电池正极材料和包含该正极材料的锂电池的制作方法，其中该锂电池采用无水硫酸铁作为其正极材料，由于硫酸铁中所有组成元素都是地球上含量丰富的元素，这一点使其价格很低，同时硫酸铁制备简单，所运用的原材料都是日常生活常见物质，对环境的污染也相对较小。
该锂电池的制作方法，包括如下步骤 ：
第一 ：制备无水硫酸铁材料。所述无水硫酸铁的制备原材料，可以使用商品化的成品硫酸铁，也可以使用含铁化合物与硫酸反应来制备硫酸铁。其中含铁化合物可以为三价铁源或二价铁源，比如 Fe2O3、Fe3O4、Fe(OH)2等等。反应时，硫酸按照反应方程中与铁的摩尔比来配置硫酸溶液，使其能够充分反应。比如与 Fe2O3反应时，Fe2O3与 H2SO4的摩尔比为1∶3，依次类推。反应制得硫酸铁溶液之后，需要蒸发溶液水分得到硫酸铁结晶，通常采用强搅拌条件下的缓慢蒸发方法进行。所述强搅拌条件为搅拌速度大于 800r/min。最后，由于运用到电池正极材料上的硫酸铁晶体不能含有水分，还需要对硫酸铁晶体进行去水步骤，该去水步骤为将硫酸铁晶体放置于高温干燥气体中进行热处理，处理时间大于 9 个小时，所述高温干燥气体可以为空气或者氮气、氧气等不易跟硫酸体晶体进行反应的气体，其温度一般大于 400 度。
第二 ：制得无水硫酸铁材料后，以上述无水硫酸铁为正极，以金属锂为负极，以1Mol/L 的 LiPF6/EC+DMC 为电解液，组装成扣式电池。具体为称去适量无水硫酸铁作为正极材料，均匀分布于铝箔片上制成电池正极片，在真空手套箱中以金属锂片为负极，以Celgard2300 为隔膜，1mol/L 的 LiPF6/EC:DMC( 体积比为 1 ∶ 1) 为电解液，组装成扣式电池。
进一步地，可以在无水硫酸铁中加入乙炔黑作导电剂，以增加电池性能。
为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例一 ：
将商品化成品硫酸铁晶体在400度空气中热处理9小时，自然降温后，直接得到无水硫酸铁成品材料。以该材料为正极，均匀分布于铝箔片上制成电池正极片，在真空手套箱中以金属锂片为负极，以 Celgard2300 为隔膜，1mol/L 的 LiPF6/EC:DMC( 体积比为 1 ∶ 1)
为电解液，组装成扣式电池。测得硫酸铁正极在0.1C时的容量为101mAh/g，放电平台平坦，平台平均电压 3.45V。
实施例二 ：
以三氧化二铁 (Fe2O3) 为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，将三氧化二铁溶解于硫酸溶液中，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，得到硫酸铁结晶体，然后将结晶体至于 450 度空气条件下热处理 9 小时，然后自然冷却到室温，制得无水硫酸铁材料。以该材料为正极，均匀分布于铝箔片上制成电池正极片，在真空手套箱中以金属锂片为负极，以Celgard2300 为隔膜，1mol/L 的 LiPF6/EC:DMC( 体积比为 1 ∶ 1) 为电解液，组装成扣式电池。测 得的正极容量在 0.1C 时为 90mAh/g，放电平台在 3.40V。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、同等替换和改进等，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种锂电池的正极材料，其特征在于 ：所述锂电池正极材料为无水硫酸铁。
2.一种包含如权利要求 1 所述的锂电池正极材料的锂电池制备方法，其特征在于包括
步骤 ：
1) 制备无水硫酸铁 ；
2) 以上述无水硫酸铁为正极，以金属锂为负极，以 1Mol/L 的 LiPF6/EC+DMC 为电解液，组装成扣式电池。
3.如权利要求 2 所述的锂电池制备方法，其特征在于 ：所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：
以三氧化二铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，将三氧化二铁溶解于硫酸溶液中，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，得到硫酸铁结晶体，然后将结晶体至于 450 度空气条件下热处理 9 小时，自然冷却到室温。
4.如权利要求 2 所述的锂电池制备方法，其特征在于 ：所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：以四氧化三铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，将四氧化三铁溶解于硫酸溶液中，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，得到硫酸铁结晶体，然后将结晶体至于 450 度空气条件下热处理 9 小时，自然冷却到室温。
5.如权利要求 2 所述的锂电池制备方法，其特征在于 ：所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：
以氢氧化亚铁为原材料，按照摩尔比配置硫酸溶液，将氢氧化亚铁溶解于硫酸溶液中，在强搅拌的条件下缓慢的蒸发溶液水分，使其中的二价铁被氧化成三价铁，得到硫酸铁结晶体，然后将结晶体至于 350 度空气条件下热处理 21 小时，自然冷却到室温。
6.如权利要求 2 所述的锂电池制备方法，其特征在于 ：所述制备无水硫酸铁包括步骤 ：
以硫酸铁为原材料，首先将其与乙炔黑充分混合，然后至于 400 度氮气条件下热处理 9 小时，随后氧气条件下热处理 3 小时，自然冷却到室温。
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|---|---|---|---|---|
| CN112624205A (zh) * | 2020-12-20 | 2021-04-09 | 桂林理工大学 | Fe2(SO4)3负极材料的制备方法及其应用 |
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2014
- 2014-02-20 CN CN201410057453.8A patent/CN103872319A/zh active Pending
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