CN104362317A - 锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料及制备方法 - Google Patents

锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，分别抽取相同体积的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液或磷酸溶液，通过精密注射泵将两股溶液注入Y型微通道混合器，反应生成纳米磷酸铁沉淀，离心、洗涤，干燥，煅烧，采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩。采用高流速条件，Y型微通道混合器的两个出口呈60度角度位置，反应物流体混合反应制备纳米磷酸铁，且不会对通道产生堵塞。本发明制备的核壳结构正极材料具有相当优异的电化学性能，且制备方法简单，易操作。

Description

锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，具体涉及一种导电聚合物包覆锂离子电池正极材料磷酸铁及其制备方法。
背景技术
磷酸铁(FePO4)又叫正磷酸铁，磷酸铁中的铁为三价，以二水化合物居多；磷酸铁化合物应用广泛，比如：钢铁、陶瓷玻璃和营养增补剂（铁质强化剂）、制造磷酸铁锂正极材料和催化剂。由于磷酸铁具有丰富的骨架结构，研究主要集中在合成具有空旷骨架结构的微孔磷酸铁材料，并进行磷酸铁有机复合化，提高其在催化、锂离子电池和生物材料等领域的性能。随着磷酸铁的研究深入，纳米和多孔磷酸铁材料将具有更广泛的前景。
磷酸铁具有环境友好，原材料来源广泛，价格低廉等特点，然而由于本身内在较低的电子电导率和锂离子迁移速率，使得该材料在锂离子电池正极材料的推广应用受到限制。研究发现颗粒纳米化及表面导电层包覆可以显著地提高该材料的电化学性能。关于合成纳米磷酸铁的文章，如Huyun Jin Yang ([J]Langmuir, 2005, 21(20): 9098-9102.)采用碳纳米管作为基体材料，实验合成粒径只有2.2nm的纳米磷酸铁颗粒，实验表明溶液pH、浓度对合成纳米磷酸铁性能起着重要作用；Guo Xue Feng([J]Chemical Communications, 2001 (8): 709-710.)以Fe(NO3)3和Na2HPO4为原料，共沉淀法合成FePO4，再以HF为矿化剂滴加到悬浮液中，十二烷基磺酸钠为表面活性剂制得比表面积254m2g-1、平均孔径2.6nm的介孔磷酸铁。微孔和介孔磷酸铁具有开放孔状结构和更大的比表面，从而增加催化反应位点，有利于有机大分子的选择性催化；Sung-Wook Kim ([J]Chemical Communications, 2010, 46(39): 7409-7411.)合成具有核壳结构的纳米线FePO4CNT正极材料，其中以CNT为模板，磷酸铁均匀分布在CNT表面，形成厚度为几个纳米的表层；该材料显示出优良的电化学性能，即使放电电流为500、1000mAg-1，放电容量分别可以达到125、100mAhg-1，且经过50次循环后容量没有明显的衰减。磷酸铁不仅可以作为锂离子电池的电极材料，也可作为合成锂离子电池电极材料LiFePO4的原料。Wang-Yong Gang([J] Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47(39): 7461-7465.)通过共沉淀法合成纳米磷酸铁，原位对其进行聚合包覆，并同碳酸锂混合反应制备LiFePO4/C正极材料，合成的产物作为锂离子电池正极材料，具有较高的放电容量，且提供了一种制备性能优良的磷酸铁锂新型方法。
硝酸铁与磷酸氢二铵溶液反应生成磷酸铁是一个快速共沉淀过程。在两股反应液接触时，应提供充分的混合，使得过饱和度瞬间提高，爆发尽可能多的晶核。成核过程中，微观混合越均匀，产生的晶核数量越多，在后期的长大过程中，溶液中能够提供的磷酸铁分子越少，越易形成纳米颗粒。
发明内容
本发明针对磷酸铁存在的不足，提供一种用于提高锂离子电池正极材料性能的制备方法，采用Y型微通道混合器制备纳米磷酸铁，并进行原位导电聚合物包覆的方法。
一种锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、配置硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度的磷酸氢二铵或磷酸溶液；
第二步、注射器分别抽取相同体积的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液或磷酸溶液，通过精密注射泵将两股溶液注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥数小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；
第三步、将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁；
第四步、采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩；采用噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于氯化铁溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，聚合反应，制得磷酸铁/导电聚合物复合正极材料。
第一步所述硝酸铁，磷酸氢二铵或磷酸溶液浓度为0.1～0.3M。
第二步所述的注入流速为100～140ml/min。
第三步所述的煅烧温度为350～450℃。
所述的氯化铁溶液浓度为0.5～2mol/L。
第四步所述的聚合反应温度为25～60摄氏度。
第四步所述的聚合反应时间为60～120分钟。
一种锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料，根据上述任一所述方法制备得到。
本发明提出的一种纳米磷酸铁的制备方法，该方法采用Y型微通道混合器快速制备纳米磷酸铁，在后续的过程中对其进行原位导电聚合物包覆，其特征在于颗粒纳米化的同时提高颗粒间的电子电导率。本发明制备的核壳结构正极材料具有相当优异的电化学性能，且制备方法简单，易操作。本发明采用高流速条件，Y型微通道混合器的两个出口呈60度角度位置，反应物流体混合反应制备纳米磷酸铁，且不会对通道产生堵塞。
附图说明
图1为实施例1中制备所得纳米磷酸铁的TEM图；
图2为实施例1中制备所得纳米磷酸铁的电子衍射图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
实施例1：
配置0.1M的硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度0.1M的磷酸氢二铵溶液；注射器分别抽取相同体积100mL的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液，通过精密注射泵将两股溶液以100mL/min流速注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥6小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中在350摄氏度下煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁。采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩，噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于2.0 mol/L的氧化剂溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，在60摄氏度下聚合反应60min，制得具有核壳结构的复合正极材料。
实施例2：
配置0.1M的硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度0.1M的磷酸氢二铵溶液；注射器分别抽取相同体积100mL的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液，通过精密注射泵将两股溶液以100mL/min流速注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥6小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中在350摄氏度下煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁。采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩，噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于1.5 mol/L的氧化剂溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，在25摄氏度下聚合反应120min，制得具有核壳结构的复合正极材料。
实施例3：
配置0.1M的硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度0.1M的磷酸氢二铵溶液；注射器分别抽取相同体积100mL的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液，通过精密注射泵将两股溶液以100mL/min流速注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥6小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中在350摄氏度下煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁。采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩，噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于0.5 mol/L的氧化剂溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，在25摄氏度下聚合反应60min，制得具有核壳结构的复合正极材料。
实施例4：
配置0.2M的硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度0.2M的磷酸氢二铵溶液；注射器分别抽取相同体积100mL的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液，通过精密注射泵将两股溶液以140mL/min流速注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥6小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中在400摄氏度下煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁。采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩，噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于0.5 mol/L的氧化剂溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，在25摄氏度下聚合反应60min，制得具有核壳结构的复合正极材料。
实施例5：
配置0.3M的硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度0.3M的磷酸氢二铵溶液；注射器分别抽取相同体积100mL的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液，通过精密注射泵将两股溶液以140mL/min流速注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥6小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中在450摄氏度下煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁。采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩，噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于0.5 mol/L的氧化剂溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，在25摄氏度下聚合反应60min，制得具有核壳结构的复合正极材料。
实施例6：
配置0.3M的硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度0.3M的磷酸氢二铵溶液；注射器分别抽取相同体积100mL的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液，通过精密注射泵将两股溶液以140mL/min流速注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥6小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中在350摄氏度下煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁。采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩，噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于1.0 mol/L的氧化剂溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，在60摄氏度下聚合反应60min，制得具有核壳结构的复合正极材料。 

Claims (8)

1.一种锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、配置硝酸铁溶液，以及等摩尔浓度的磷酸氢二铵或磷酸溶液；
第二步、注射器分别抽取相同体积的硝酸铁溶液、磷酸二氢铵溶液或磷酸溶液，通过精密注射泵将两股溶液注入Y型微通道混合器，两股液体呈60度角度相互接触混合，反应生成纳米磷酸铁沉淀，将沉淀物离心、洗涤数次，放入鼓风干燥箱内干燥数小时，得到干燥的纳米磷酸铁沉淀；
第三步、将干燥的纳米磷酸铁沉淀放入马弗炉中煅烧，得到去结晶水的纳米磷酸铁；
第四步、采用气相聚合法在去结晶水纳米磷酸铁表面均匀包覆一层导电聚合物聚噻吩；采用噻吩作为聚合物单体，氯化铁为氧化剂，将纳米磷酸铁放置分散于氯化铁溶液中，烘干后取出，并置于底部装有噻吩单体的真空玻璃干燥器中，聚合反应，制得磷酸铁/导电聚合物复合正极材料。
2.根据权利要求1所述锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，第一步所述硝酸铁，磷酸氢二铵或磷酸溶液浓度为0.1～0.3M。
3.根据权利要求1所述锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，第二步所述的注入流速为100～140ml/min。
4.根据权利要求1所述锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，第三步所述的煅烧温度为350～450℃。
5.根据权利要求1所述锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述的氯化铁溶液浓度为0.5～2mol/L。
6.根据权利要求1所述锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，第四步所述的聚合反应温度为25～60摄氏度。
7.根据权利要求1所述锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料的制备方法，其特征在于，第四步所述的聚合反应时间为60～120分钟。
8.一种锂离子电池用磷酸铁/导电聚合物复合正极材料，其特征在于，根据上述任一权利要求所述方法制备得到。
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