CN104401957B - 一种锂二次电池正极材料氟磷酸钴锂的水热制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂二次电池高电压、高能量密度正极材料氟磷酸钴锂Li2CoPO4F的水热制备方法。其特征在于所制备的方法包括以下步骤：将一定化学计量比的磷酸根源、钴源、锂源和氟源化合物溶于水中，搅拌混合均匀后转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160~220℃下水热反应5~20h后冷却至室温并干燥后得前驱体；将上述前驱体在惰性气氛下，经200~400℃预烧和500~750℃煅烧后，冷却至室温研磨后即得目标产物氟磷酸钴锂。该方法一次性加入物料，工艺操作简单，产品纯度高，过程控制和产品性能都具有很好的重现性，所制备的Li2CoPO4F材料颗粒分散性好，一次粒子为纳米级，二次粒子为微米级，尺寸和形貌均匀。应用该方法制备的材料电位平台高，表现出优异的电化学性能，特别是在充放电循环性能方面具有其它合成方法所不可比拟的优势，将为这类高能量密度正极材料的实用化开启美好的前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂二次电池高电压、高能量密度正极材料氟磷酸钴锂Li2CoPO4F的制备方法，尤其是涉及利用水热法制备高纯度的锂二次电池正极材料氟磷酸钴锂的方法，属于锂二次电池材料技术领域。
背景技术
锂二次电池由于具有电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、自放电小和环境友好等优良特性而成为目前综合性能最好的电池体系之一，广泛应用于信息、光电、交通、国防军事和航空航天等众多领域，并正在成为车辆动力电池和储能电池的主角。传统正极材料LiCoO2因资源匮乏，毒性和热稳定性较差等方面的问题，其被取代的趋势已是不可阻挡。近年来研究开发的LiFePO4，LiMn2O4和LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2等替代材料在安全性、环境友好和成本方面都有不同程度改善，但能量密度并没有明显提高。为使动力电池获得更高的功率和能量密度，研究开发高电压正极材料成为当务之急。随着电解质及添加剂的研究进展，提高了电解液的耐氧化电位，使得高电压正极材料的实用化成为可能。
氟代磷酸盐材料结合了PO4 3-的诱导效应和氟离子强的电负性，材料的氧化还原电位和结构稳定性均得到提高；此外，由于氟代引入了一个负电荷，考虑到电荷平衡，在氟代磷酸盐中有望通过M2+/M4+氧化还原对的利用实现超过一个锂的可逆交换，从而获得高的可逆比容量。因此氟代磷酸盐是一种潜在的高能量密度正极材料。其中，氟磷酸钴锂（Li2CoPO4F）是近年来新兴的复合聚阴离子型正极材料，具有三维框架网络结构。作为锂二次电池正极材料，Li2CoPO4F具有很高的电位平台（4.9Vv.s .
Li+/Li），由于含有两个Li+，它的理论容量能达到287mAh/g，能量密度可达到1435 Wh/kg，且具有较高的热稳定性和安全性，有望成为未来的开发热点。
2005年，Okada等人首先报道了具有5V高电压正极材料Li2CoPO4F的结构和电化学性质（Fluoride phosphate Li2CoPO4F
as a high-voltage cathode in Li-ion batteries. Journal of
Power Sources. 2005, 146: 565-569）。之后，陆续有十几篇文献报道了对该材料的合成和电化学性能研究，绝大多数采用高温固相法。Kosova研究了Li2CoPO4F在加热和冷却过程冲的形成与分解，发现该材料在煅烧时间过长及降温过程中都会发生分解（In situ andex situ X-ray
study of formation and decomposition of Li2CoPO4F under
heating and cooling. Investigation of its local structure and
electrochemical properties. Solid State Ionics 2012, 225: 570-574）。因此，能够成功合成纯相Li2CoPO4F的报道大多是通过两步固相法，先制备出LiCoPO4再加入LiF在600~800℃下继续反应生成Li2CoPO4F后迅速淬火以保持其结构。固相法是几乎所有正极材料的经典制备方法，也是目前制备Li2CoPO4F的主要方法，但除了能耗高，粒径分布宽，批次差异大和电等固有缺点外，固相法所制备的Li2CoPO4F普遍呈现容量不高，库伦效率低和循环衰减快等差强人意的电化学性能。Wang等采用固相法制备的Li2CoPO4F在2.0~5.0 V区间循环只有56mAh/g的放电比容量，在2.0~5.5 V区间循环放电比容量也只有109mAh/g，且库伦效率仅为60%左右（Preparation and
electrochemical investigation of Li2CoPO4F cathode
material for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2011, 196:
2241-2245）。Kosova等采用两步固相法制备的材料在3.0~5.0 V区间以C/20的倍率循环初始放电比容量为70mAh/g，循环8次后就降为50mAh/g（In situ andex situ X-ray
study of formation and decomposition of Li2CoPO4F under
heating and cooling. Investigation of its local structure and
electrochemical properties. Solid State Ionics 2012, 225: 570-574）。Amaresh等采用两步固相法制备的Li2CoPO4F在2.0~5.1V电位区间循环20次后容量保持率仅为53%（Synthesis and enhanced
electrochemical performance of Li2CoPO4F cathodes under
high current cycling. Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14: 11904-11909）。
适宜的制备方法对电极材料至关重要，通过选择合适的制备方法不仅可以得到颗粒尺寸形状适宜、粒径分布均匀的可控形貌，更可以获得更好的结晶性、更高的相纯度和结构稳定性，甚至会改变材料的晶体微结构和嵌/脱反应机理，从而实现更优良的电化学性能。因此，开发其它方法用于制备Li2CoPO4F以提高其可逆容量和循环性能是非常必要的。Truong等尝试了引入溶胶-凝胶法，但也只是利用溶胶凝胶过程制备了中间产物LiCoPO4，之后还是需要通过固相反应过程继续与LiF反应才能得到目标产物Li2CoPO4F，所得产物在3.0~5.5 V电位区间内0.1C倍率放电的初始比容量为91mAh/g（Structural Analysis and
Electrochemical Performance of Li2CoPO4F Cathode
Materials. Electrochimica Acta
2014, 127: 245-251）。杨勇等用溶胶凝胶法成功制备了Li2CoPO4F，初始放电比容量高达138mAh/g，但循环性能仍然较差，循环50次后即衰减为50mAh/g（Promoting long-term
cycling performance of high-voltage Li2CoPO4F by the
stabilization of electrode/electrolyte interface. J. Mater. Chem. A, 2014, 2:
1006-1013）。本发明成功采用水热法制备了Li2CoPO4F，且原料为一次性加入而无需经过先制备LiCoPO4的中间过程，工艺操作简单，产品纯度高，过程控制和产品性能都具有很好的重现性。应用该方法制备的材料表现出优异的电化学性能，特别是在充放电循环性能方面具有其它合成方法所不可比拟的优势，在2.0~5.3 V的电位范围内循环60次后仍有98mAh/g的放电比容量，库伦效率达到93 %以上。目前，国内尚未有任何关于该材料的专利公布或授权，国内外也未见任何水热法制备Li2CoPO4F的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的高温固相法制备Li2CoPO4F正极材料难以得到纯相产物，且循环稳定性差的问题，提供一种工艺操作简单，产品纯度高，且电化学性能优异的Li2CoPO4F正极材料水热制备方法。
本发明的制备方法包括以下步骤：
1）将一定化学计量比的磷酸根源、钴源、锂源和氟源化合物分别加入水中，搅拌混合均匀后得到混合溶液；
2）将步骤1）所得的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，经水热反应后冷却至室温；
3）将步骤2）所得的混合物除水干燥后得前驱体；
4）将步骤3）所得的前驱体粉末压片制坯后，在惰性气氛下，经预烧和煅烧两步烧结，冷却至室温，研磨后即得目标产物氟磷酸钴锂。
所述磷酸根源、钴源、锂源和氟源化合物的摩尔比为1：1：2：1，其中锂源可以适当过量。
所述磷酸根源化合物可为磷酸、磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵中的至少一种。
所述钴源化合物可为乙酸钴、草酸钴、硝酸钴中的至少一种。
所述锂源化合物可为乙酸锂、草酸锂、氟化锂、氢氧化锂、碳酸锂中的至少一种。
所述氟源化合物可为氟化锂、氟化铵中的至少一种。
所述水热反应的温度可为160~220℃，水热反应的时间可为5~20h。
所述水热反应后所得混合物的除水干燥方式可为水浴加热蒸发、干燥箱烘干、真空干燥中的至少一种，干燥除水温度可为60~120℃。
所述前驱体粉末压片制坯的压力可为1~10MPa。
所述惰性气氛可为氮气、氩气、氦气、氢气中的至少一种。
所述预烧温度可为200~400℃，预烧时间可为1~8h。
所述煅烧温度可为500~750℃，煅烧时间可为2~20h。
所述冷却方式可为程序控制缓慢降温、在管式炉中自然冷却、煅烧后样品直接取出快速降温、将样品投入水中淬火，将样品投入液氮中淬火中的至少一种。
本发明的特点是：（1）简化了Li2CoPO4F的制备工艺过程，可控性好，流程短，能耗低，生产成本小。（2）利用该方法合成的材料颗粒细小均匀、分散性好、相纯度高。（3）本发明所得到的材料在常温常压2.0~5.3V的电压范围，0.1C倍率下60次充放电循环后的放电比容量保持率仍能高达98%，说明材料具有优良的循环性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明和实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明所制备Li2CoPO4F正极材料样品的X-射线衍射图。由图1可以看出，所制备的Li2CoPO4F材料相纯度高，结晶性好。
图2为本发明所制备Li2CoPO4F正极材料样品的扫描电镜图。由图2可以看出，所制备的Li2CoPO4F材料颗粒分散性好，尺寸和形貌均匀。
图3为本发明所制备Li2CoPO4F正极材料样品在不同倍率下电流下的放电曲线图。由图3可以看出，所制备的Li2CoPO4F材料在未额外掺碳的情况下仍有不错的倍率性能。
图4为本发明所制备Li2CoPO4F正极材料样品的充放电循环曲线图。由图4可以看出，所制备的Li2CoPO4F材料具有良好的循环性能和反应可逆性，在经过大电流放电后，回到小电流下仍能恢复其初始可逆容量。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
实施例1
将0.02mol 氟化锂、0.02mol乙酸钴、0.02mol 磷酸、0.02mol 氢氧化锂分别加入到35ml去离子水中，将混合溶液磁力搅拌2h使之混合均匀，接着将最终形成的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在200℃下水热反应12h，随后将反应釜自然冷却到室温，取出产物80℃水浴蒸发除水，再80℃真空干燥过夜，将干燥后的前驱体研磨、10MPa压力下压片，最后在管式炉中，氩气气氛下，先350℃预烧6h，再650℃煅烧6h，自然冷却至室温研磨后即得产物Li2CoPO4F。样品的X射线粉末衍射图参见图1，表明所得的产物为纯相Li2CoPO4F，结晶度高。样品的扫描电镜图参见图2，由图中可见产物的颗粒大小均匀，粒径为150nm左右。将所得的产物作为正极材料，在充满氩气的手套箱中组装成实验扣式锂二次电池，以0.1C的倍率在2.0~5.3V的电位区间内进行充放电循环，首次放电比容量为99mAh/g，循环60周后的可逆容量为98mAh/g，显示出优异的电化学性能。
实施例2
将0.02mol 氟化锂、0.02mol硝酸钴、0.02mol 磷酸、0.02mol 草酸锂分别加入到30ml去离子水中，将混合溶液磁力搅拌1.5h使之混合均匀，接着将最终形成的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在210℃下水热反应10h，随后将反应釜自然冷却到室温，取出产物60℃水浴蒸发除水，再90℃真空干燥10h，将干燥后的前驱体研磨、8MPa压力下压片，最后在管式炉中，氩气气氛下，先300℃预烧4h，再620℃煅烧6h，以每分钟0.5℃的降温速率程序降温至室温后研磨即得产物Li2CoPO4F。
实施例3
将0.02mol 氟化锂、0.02mol乙酸钴、0.02mol磷酸氢铵、0.02mol 乙酸锂分别加入到40ml去离子水中，将混合溶液磁力搅拌2h使之混合均匀，接着将最终形成的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180℃下水热反应14h，随后将反应釜自然冷却到室温，取出产物70℃水浴干燥，再100℃真空干燥12h，将干燥后的前驱体研磨、6MPa压力下压片，最后在管式炉中，氩气/氢气混合气氛下，先350℃预烧6h，再670℃煅烧5h，然后直接将样品从管式炉中取出在空气中快速冷却后研磨即得产物Li2CoPO4F。
实施例4
将0.02mol 氟化铵、0.02mol草酸钴、0.02mol 磷酸二氢铵、0.04mol 碳酸锂分别加入到35ml去离子水中，将混合溶液磁力搅拌2.5h使之混合均匀，接着将最终形成的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在190℃下反应11h，随后将反应釜自然冷却到室温，取出产物60℃水浴干燥，再110℃真空干燥8h，将干燥后前驱体研磨、12MPa压力下压片，最后在管式炉中，在氮气气氛下，先310℃预烧5h，再640℃煅烧8h，，然后直接将样品从管式炉中取出在液氮中快速冷却后研磨即得产物Li2CoPO4F。
Claims (8)
1.一种锂二次电池高电压、高能量密度正极材料氟磷酸钴锂的制备方法，其特征在于首次采用水热法制备该材料，且包括氟化物在内的所有反应原料一次性加入水热釜中，主要包括以下步骤：
1）按摩尔比为1：1：2：1，称取磷酸根源、钴源、锂源和氟源化合物，分别加入水中，搅拌混合均匀后得到混合溶液；
2）将步骤1）所得的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，经水热反应后冷却至室温；
3）将步骤2）所得的混合物除水干燥后得前驱体；
4）将步骤3）所得的前驱体粉末压片制坯后，在惰性气氛下，经预烧和煅烧两步烧结，冷却至室温，研磨后即得目标产物氟磷酸钴锂。
2.如权利要求1所述的氟磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于所述磷酸根源化合物为磷酸、磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵中的至少一种，所述钴源化合物为乙酸钴、草酸钴、硝酸钴中的至少一种，所述锂源化合物为乙酸锂、草酸锂、氟化锂、氢氧化锂、碳酸锂中的至少一种，所述氟源化合物为氟化锂、氟化铵中的至少一种。
3.如权利要求1所述的氟磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于所述水热反应的温度为160~220℃，水热反应的时间为5~20h。
4.如权利要求1所述的氟磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于所述水热反应后所得混合物的除水干燥方式为水浴加热蒸发、干燥箱烘干、真空干燥中的至少一种，干燥除水温度为60~120℃。
5.如权利要求1所述的氟磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于所述前驱体粉末压片制坯的压力为1~10MPa。
6.如权利要求1所述的氟磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气、氢气中的至少一种。
7.如权利要求1所述的氟磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于所述预烧温度为200~400℃，预烧时间为1~8h；煅烧温度为500~750℃，煅烧时间为2~20h。
8.如权利要求1所述的氟磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于所述冷却方式为程序控制缓慢降温、在管式炉中自然冷却、煅烧后样品直接取出快速降温、将样品投入水中淬火，将样品投入液氮中淬火中的至少一种。
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