CN104577123A - 一种锂离子电池正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池正极材料的制备方法，其步骤如下：一、称取锂源化合物、磷源化合物分散在溶剂中，将两种溶液混合，加入添加剂后调节pH值8~12，反应10~60 min后，过滤、洗涤、干燥得到磷酸锂前驱体；二、将磷酸锂与锰源化合物分散在溶剂中，加入添加剂后，将溶液密闭于反应釜系统中进行溶剂热反应，洗涤、干燥得到纯相磷酸锰锂；三、将磷酸锰锂与有机碳源化合物分散在溶剂中，搅拌、自然蒸干；四、将步骤三得到的混合物在惰性气氛下热处理，自然冷却至室温，即得到磷酸锰锂-碳复合材料。发明通过设计一种空心多孔的结构，极大地提高了其电化学性能，尤其是循环稳定性，且该方法能耗低，工艺条件易控制，有利于实现工业化生产。

Description

一种锂离子电池正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种锂离子电池用高性能磷酸锰锂-碳正极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池作为一种高性能的可充绿色电源，近年来已在各种便携式电子产品和通讯工具中得到广泛应用，并被逐步开发为电动汽车的动力电源，从而推动其向安全、环保、低成本及高比能量的方向发展。其中，新型电极材料特别是正极材料的研制极为关键。目前广泛研究的锂离子电池正极材料集中于锂的过渡金属氧化物，如层状结构的LiMO2(M=Co，Ni，Mn)和尖晶石结构的LiMn2O4。但作为正极材料它们各有缺点，LiCoO2成本高，资源贫乏，毒性大；镍酸锂(LiNiO2)制备困难，热稳定性差；LiMn2O4容量较低，循环稳定性尤其是高温性能较差。为了解决以上材料的缺陷，人们做了大量研究，在对以上正极材料进行各种改性以改善其性能的同时，新型正极材料的开发一直也是关注的重点。研究发现，磷酸锰锂材料工作电压适中(4.1 V)，理论容量高171 mAh/g，循环性能好，成本很低，而且其能量密度比磷酸亚铁锂高34%，它的高能量密度和高安全性能使其在在动力锂离子电池中具有突出应用前景，不足之处是它的导电性差和锂离子扩散速度慢。尽管人们为了改善磷酸锰锂的性能做了大量的研究工作，但是，磷酸锰锂的性能一直不甚理想。
发明内容
为了改善磷酸锰锂材料循环性能差的问题，本发明提供一种锂离子电池正极材料的制备方法，通过设计一种空心多孔的结构，极大地提高了其电化学性能，尤其是循环稳定性，且该方法能耗低，工艺条件易控制，有利于实现工业化生产。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
一、称取一定量的锂源化合物、磷源化合物分散在混合溶剂中，分别配制成浓度为0.1~1.5 mol/L的溶液，然后，将两种溶液以体积比1:1的比例混合，加入质量分数为混合液0~1%的添加剂后调节pH值8~12，反应10~60 min后，过滤、洗涤、干燥得到磷酸锂前驱体；
二、将制得的一定质量的磷酸锂与锰源化合物以摩尔比1:1分散在溶剂中，形成浓度为0.1 ~0.4 mol/L的悬浊液，加入质量分数为悬浊液0~10%的添加剂后，将溶液密闭于反应釜系统中，在140~240℃下进行溶剂热反应3~24 h，洗涤、干燥得到纯相磷酸锰锂；
三、将步骤二得到的磷酸锰锂与有机碳源化合物按质量比2~5:1分散在溶剂中，形成浓度为0.05~1 g/mL的混合液，搅拌、自然蒸干；
四、热处理：将步骤三得到的混合物在惰性气氛下热处理，自然冷却至室温，即得到磷酸锰锂-碳复合材料。
本发明中，步骤一所述的磷源化合物为磷酸二氢锂、磷酸铵、磷酸二氢铵、五氧化二磷、磷酸、亚磷酸、焦磷酸、磷酸氢二铵中的一种或者几种的任意组合。
本发明中，步骤一所述的锂源化合物为磷酸二氢锂、碳酸锂、醋酸锂、磷酸锂、亚磷酸锂、焦磷酸锂、甲酸锂、柠檬酸锂、氯化锂、溴化锂、氢氧化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、磷酸锂、磷酸氢二锂、草酸锂、硫酸锂中的一种或者几种的任意组合。
本发明中，步骤一所述的混合溶剂为水、乙醇、丙酮、苯甲醇、正己烷、水-乙醇溶液、乙二醇和聚乙二醇中的一种或几种的任意组合。
本发明中，步骤一和二所述的添加剂为抗坏血酸、柠檬酸、油酸、十六烷基三甲基溴化铵、苯磺酸钠、PVP、十二烷基苯磺酸钠、月桂酸、十二烷基硫酸钠和石蜡的一种或者几种的任意组合。
本发明中，步骤二所述的锰源化合物为碳酸锰、硫酸锰、硝酸锰、醋酸锰和柠檬酸锰中的一种或者几种的任意组合。
本发明中，步骤三所述有机碳源化合物为酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖、碳黑、抗坏血酸、乳糖、多聚糖、纤维素、乙炔黑、聚乙二醇、科琴黑、聚丙烯睛、柠檬酸、沥青、苯、萘、吡啶、喹啉、金属卟啉、石墨和富勒烯的一种或者几种的任意组合。
本发明中，步骤四所述的惰性气氛为氮气、氩气或氩-氢混合气体中的一种，其中氩-氢混合气中氢气的体积含量为2~10%。
本发明中，步骤四所述的热处理方法采用程序升温的方式：以1~20℃/min从室温升温至200~400℃，并在200~400℃下加热处理1~10 h，然后继续升温至500~800℃，并在500~800℃下加热处理1~24 h。
本发明具有如下优点：
1、本发明所制得的磷酸锰锂具有空心介孔球形结构，提高了材料的稳定性；
2、本方法所制备的纯相磷酸锰锂二次颗粒尺寸可控, 处于600 nm~1.5 μm之间，均匀、分散性较好；
3、本方法所制得的磷酸锰锂一次颗粒尺寸较小，约30 nm，极大的缩短了锂离子在晶格中的传输路径，改善了材料的电化学性能；
4、本发明采用能耗较低，有利于实现工业化生产；
5、本发明不仅可用于磷酸锰锂正极材料，该发明设计的空心介孔球形结构也可用于其它电极材料；
6、本发明制备工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低。
附图说明
图1为本发明合成的前驱体磷酸锂和纯相磷酸锰锂的XRD衍射图，(a)前驱体磷酸锂，(b)纯相磷酸锰锂的XRD衍射花样；
图2为本发明合成的前驱体磷酸锂的SEM照片；
图3为本发明合成的前驱体磷酸锂的TEM照片；
图4为本发明合成的磷酸锰锂的SEM照片；
图5为本发明合成的磷酸锰锂的TEM照片；
图6为本发明合成的磷酸锰锂-碳复合材料在5 C充放电时的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
（1）量取500 mL水和500 mL聚乙二醇400混合成均匀溶液；
（2）称取25.6898 g LiOH·H2O，23.0588 g H3PO4(85%)以步骤（1）的溶液为混合溶剂分别配制成浓度为0.6 mol/L和0.2 mol/L的溶液，搅拌至充分均匀；
（3）分别量取200 mL步骤（2）配制的两种溶液，快速混合，加入质量分数为0.5%的抗坏血酸作为添加剂，然后调节pH值为11.0，反应30 min后，过滤、洗涤、干燥，制得空心球形磷酸锂前驱体；
（4）将步骤（3）制备的磷酸锂2.8987 g与3.2158 g MnCl2·4H2O溶解在60 mL乙二醇溶剂中，然后将上述悬浊液转移至聚四氟乙烯的反应釜中，密闭，在180℃下保温5 h后，降温至室温，取出生成液，滤去上清液后，加入蒸馏水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为6000转/分钟，时长为5 min，滤去上层清液后，再次加入蒸馏水振荡至悬浮液进行离心，重复至溶液颜色透明，而后将蒸馏水换位乙醇，重复振荡和离心的过程，至溶液颜色透明，取出沉淀，于50℃下鼓风干燥12 h，得到空心球形结构的纯相磷酸锰锂；
（5）将制备得到的1.6 g纯相磷酸锰锂和0.4 g葡萄糖分散在20 mL水中，然后，搅拌12 h自然晾干；
（6）将步骤（5）得到的混合物在H2（5%）+Ar（95%）惰性气体保护下进行热处理，以5℃/min从室温升温至300℃，并在300℃下加热处理3 h，然后继续升温至600℃，并在600℃下恒温12 h，然后自然冷却至室温，即得到LMP-C复合材料。
前驱体及纯相磷酸锰锂的X射线衍射（XRD）图见图1，扫描电子显微镜（SEM）照片和透射电子显微镜（TEM）照片见图2-5，由图可知一次颗粒尺寸为30-50 nm。以本实施例制备的磷酸锰锂-碳复合材料为原料装配成纽扣电池，其在5 C充放电时的循环曲线性能见图6，由图可见磷酸锰锂-碳作为锂离子正极材料，在5 C时，首次可逆容量为108 mAh/g，5 C充放电时，1000次循环后容量保持率仍为100%（相对于首次放电容量）。本实施例合成的磷酸锰锂-碳材料具有优异的倍率性能及循环稳定性。
实施例2
（1）量取300 mL水和700 mL乙二醇混合成均匀溶液；
（2）称取25.6898 g LiOH·H2O，79.2907 g LiCO3，46.1176 g H3PO4(85%)以步骤（1）的溶液为混合溶剂分别配制成浓度为1.2 mol/L和0.4 mol/L的溶液，搅拌至充分均匀；
（3）分别量取100 mL步骤（2）配制的两种溶液，快速混合，加入质量分数为0.2%的柠檬酸和油酸（质量比1:1）作为添加剂，然后调节pH值为10.5，反应40 min后，过滤、洗涤、干燥，制得空心球形磷酸锂前驱体；
（4）将步骤（3）制备的磷酸锂3.4784 g与1.9294 g MnCl2·4H2O和1.4722 g MnSO4·H2O，溶解在60 ml乙二醇溶剂中，加入质量分数为0.2%的抗坏血酸作为添加剂，然后将上述悬浊液转移至聚四氟乙烯的反应釜中，密闭，在170℃下保温4 h后，降温至室温，取出生成液，滤去上清液后，加入蒸馏水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为6000转/分钟，时长为5 min，滤去上层清液后，再次加入蒸馏水振荡至悬浮液进行离心，重复至溶液颜色透明，而后将蒸馏水换位乙醇，重复振荡和离心的过程，至溶液颜色透明，取出沉淀，于50℃下鼓风干燥12 h，得到空心球形结构的纯相磷酸锰锂；
（5）将制备得到的1.4 g纯相磷酸锰锂和0.4 g葡萄糖和蔗糖（质量比1:1）分散在30 mL水中，然后，搅拌12 h自然晾干；
（6）将步骤（5）得到的混合物在H2（5%）+Ar（95%）惰性气体保护下进行热处理，以5℃/min从室温升温至350℃，并在350℃下加热处理4 h，然后继续升温至700℃，并在700℃下恒温12 h，然后自然冷却至室温，即得到磷酸锰锂-碳复合材料。
实施例3
（1）量取800 mL水和200 mL聚乙二醇400混合成均匀溶液；
（2）称取25.6898 g LiOH·H2O、11.5294 g H3PO4(85%)和20.2999 g (NH4)3PO4以步骤（1）的溶液为混合溶剂分别配制成浓度为0.6 mol/L和0.2 mol/L的溶液，搅拌至充分均匀；
（3）分别量取400 mL步骤（2）配制的两种溶液，快速混合，然后调节pH值为10.0，反应30 min后，过滤、洗涤、干燥，制得空心球形磷酸锂前驱体；
（4）将步骤（3）制备的磷酸锂1.9325 g与2.1439 g MnCl2·4H2O溶解在60 mL乙二醇溶剂中，然后将上述悬浊液转移至聚四氟乙烯的反应釜中，密闭，在200℃下保温10 h后，降温至室温，取出生成液，滤去上清液后，加入蒸馏水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为6000转/分钟，时长为5 min，滤去上层清液后，再次加入蒸馏水振荡至悬浮液进行离心，重复至溶液颜色透明，而后将蒸馏水换位乙醇，重复振荡和离心的过程，至溶液颜色透明，取出沉淀，于50℃下鼓风干燥12 h，得到空心球形结构的纯相磷酸锰锂；
（5）将制备得到的1.0 g纯相磷酸锰锂和0.3 g乙炔黑和酚醛树脂（质量比1:1）分散在10 mL水中，然后，搅拌12 h自然晾干；
（6）将步骤（5）得到的混合物在H2（5%）+Ar（95%）惰性气体保护下进行热处理，以5℃/min从室温升温至400℃，并在400℃下加热处理3 h，然后继续升温至600℃，并在600℃下恒温15 h，然后自然冷却至室温，即得到磷酸锰锂-碳复合材料。

Claims (10)

1.一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、称取一定量的锂源化合物、磷源化合物分散在溶剂中，分别配制成浓度为0.1~1.5 mol/L的溶液，然后，将两种溶液以体积比1:1的比例混合，加入质量分数为混合液0~1%的添加剂后调节pH值8~12，反应10~60 min后，过滤、洗涤、干燥得到磷酸锂前驱体；
二、将制得的一定质量的磷酸锂与锰源化合物以摩尔比1:1分散在溶剂中，形成浓度为0.1 ~0.4 mol/L的悬浊液，加入质量分数为悬浊液0~10%的添加剂后，将溶液密闭于反应釜系统中，在140~240℃下进行溶剂热反应3~24 h，洗涤、干燥得到纯相磷酸锰锂；
三、将步骤二得到的磷酸锰锂与有机碳源化合物按质量比2~5:1分散在溶剂中，形成浓度为0.05~1 g/mL的混合液，搅拌、自然蒸干；
四、热处理：将步骤三得到的混合物在惰性气氛下热处理，自然冷却至室温，即得到磷酸锰锂-碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤一中，磷源化合物为磷酸二氢锂、磷酸铵、磷酸二氢铵、五氧化二磷、磷酸、亚磷酸、焦磷酸、磷酸氢二铵中的一种或者几种的任意组合。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤一中，锂源化合物为磷酸二氢锂、碳酸锂、醋酸锂、磷酸锂、亚磷酸锂、焦磷酸锂、甲酸锂、柠檬酸锂、氯化锂、溴化锂、氢氧化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、磷酸锂、磷酸氢二锂、草酸锂、硫酸锂中的一种或者几种的任意组合。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤一中，溶剂为水、乙醇、丙酮、苯甲醇、正己烷、水-乙醇溶液、乙二醇和聚乙二醇中的一种或几种的任意组合。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤一和二中，添加剂为抗坏血酸、柠檬酸、油酸、十六烷基三甲基溴化铵、苯磺酸钠、PVP、十二烷基苯磺酸钠、月桂酸、十二烷基硫酸钠和石蜡的一种或者几种的任意组合。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤二中，锰源化合物为碳酸锰、硫酸锰、硝酸锰、醋酸锰和柠檬酸锰中的一种或者几种的任意组合。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤三中，有机碳源化合物为酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖、碳黑、抗坏血酸、乳糖、多聚糖、纤维素、乙炔黑、聚乙二醇、科琴黑、聚丙烯睛、柠檬酸、沥青、苯、萘、吡啶、喹啉、金属卟啉、石墨和富勒烯的一种或者几种的任意组合。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤四中，惰性气氛为氮气、氩气或氩-氢混合气体中的一种。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述惰性气氛为氩-氢混合气体时，氢气的体积含量为2~10%。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述步骤四中，热处理方法采用程序升温的方式：以1~20℃/min从室温升温至200~400℃，并在200~400℃下加热处理1~10 h，然后继续升温至500~800℃，并在500~800℃下加热处理1~24 h。
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