CN105409033B - 电池复合材料及其前驱物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池复合材料的制备方法，至少包括步骤：提供铁化合物、磷酸、锰化合物、锂化合物及碳源；将铁化合物与去离子水混合搅拌，再加入磷酸并进行搅拌，以形成第一磷酸溶液，于第一磷酸溶液中加入第一定量的该锰化合物，使该锰化合物与该第一磷酸溶液持续反应一第一时间，以形成该第一生成物溶液；以至少该第一生成物溶液、碳源及锂化合物进行反应，以生成前驱物；以及对前驱物进行热处理，以生成电池复合材料，化学式为LiFexMn1‑xPO4，其中x>0，其可避免成品粉末于热处理过程中发生团聚效应，进而提高电池电性表现。

Description

电池复合材料及其前驱物的制备方法
技术领域
本发明关于一种制备方法，尤指一种电池复合材料的制备方法。
背景技术
随着科技的快速发展，大量的电子产品孕育而生，而为提升使用上的便利性，许多电子产品均朝轻巧、可携带的方向发展。例如，可携式消费性电子产品、可携式测量仪器、可携式医疗器材、电动脚踏车及电动手工具等领域，皆需要使用可携式能源，作为其驱动的来源。在可携式能源中，以电池最具安全、轻巧且方便等特性而广为大众使用。
此外，随着永续发展及环境保护等观念的提倡，电动汽机车亦被视为可减少空气污染及解决石油短缺而受到重视。由于现行电动车主要仰赖充电电池作为能源供给，故提高电池电性及循环寿命亦成为该领域目前着重的课题之一。
现行众多的电池当中，以锂离子电池较具发展潜力，其包括高体积比电容、可重复充电且循环充放良好等特性而逐渐成为市场主流。其中，又以磷酸锂铁作为正极材料的锂离子电池最受瞩目。以磷酸锂铁(LiFePO4，简称LFP)作为正极材料的电池具有大电流、循环寿命长、抗氧化、抗酸蚀等优点，且于充放电的过程中不会释放出氧气，没有爆炸的风险存在，故被认为是极具发展潜力的锂离子电池正极材料之一。
然而，现有制备磷酸锂铁化合物的方法，于热处理过程中，磷酸锂铁粒子之间易发生团聚效应，造成磷酸锂铁粉末的粒径增大，导致电池电性下降。因此，如何发展一种可提高电池电性的正极材料的制备方法，实为目前有待解决的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池复合材料的制备方法，通过锰源扩散进入铁源的方式，避免成品粉末之间于热处理过程中发生团聚效应，以解决现有制备磷酸锂铁化合物的过程中，因成品粉末粒径增大导致电性下降的缺点。
本发明的另一目的在于提供一种电池复合材料的制备方法，通过锰源扩散进入铁源的方式，使锰原子环绕并包覆铁原子，有助反应的进行，且可避免成品粉末于热处理过程中发生团聚效应，进而达到提高电池电性表现的优点。
本发明的又一目的在于提供一种电池复合材料的制备方法，通过铁源粒径的选择以及锰源比例的配置，以根据实际需求制备出具有理想电性表现的电池复合材料。
为达上述目的，本发明的一较广实施方式为提供一种电池复合材料的制备方法，至少包括步骤：(a)提供铁化合物、磷酸、锰化合物、锂化合物及碳源，其中该磷酸的化学式为H3PO4；(b)将该铁化合物与去离子水混合搅拌，再加入该磷酸并进行搅拌，以形成第一磷酸溶液，于该第一磷酸溶液中加入第一定量的该锰化合物，使该锰化合物与该第一磷酸溶液持续反应一第一时间，以形成该第一生成物溶液；(c)以至少该第一生成物溶液、该碳源及该锂化合物进行反应，以生成前驱物，该碳源为糖类、有机化合物、聚合物或高分子材料；以及(d)对该前驱物进行热处理，以生成该电池复合材料，该电池复合材料的化学式为LiFexMn1-xPO4，其中x大于0。
为达上述目的，本发明的另一较广实施方式为提供一种电池复合材料的制备方法，至少包括步骤：(a)提供铁化合物、磷酸、MnCO3、LiOH及碳源，其中该磷酸的化学式为H3PO4；(b)将该铁化合物与去离子水混合搅拌，再加入该磷酸并进行搅拌，以形成第一磷酸溶液，于该第一磷酸溶液中加入第一定量的该MnCO3，使该MnCO3与该第一磷酸溶液持续反应一第一时间，以形成该第一生成物溶液；(c)以该第一生成物溶液、碳源及该LiOH进行反应，以生成前驱物，该碳源为糖类、有机化合物、聚合物或高分子材料；以及(d)对该前驱物进行热处理，以生成该电池复合材料，该电池复合材料的化学式为LiFexMn1-xPO4，其中x大于等于0.1并小于等于0.9。
为达上述目的，本发明的另一较广实施方式为提供一种电池复合材料的前驱物的制备方法，至少包括步骤：以铁与在磷酸水溶液中释放锰离子的化合物进行反应，以形成第一生成物溶液；使该第一生成物溶液与在磷酸水溶液中释放锂离子的化合物进行反应，以形成前驱物溶液；以及干燥该前驱物溶液，以得到电池复合材料的前驱物，该前驱物的化学式为LiFexMn1-xPO4，其中x大于0。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的电池复合材料的制备方法流程图。
图2为本发明电池复合材料的制备方法的步骤S300的细部流程图。
图3为实施例1所制得的成品粉末的X光衍射分析图。
图4为实施例2所制得的成品粉末的X光衍射分析图。
图5为实施例1所制得的成品粉末的扫描式电子显微镜分析图。
图6为实施例2所制得的成品粉末的扫描式电子显微镜分析图。
图7为以实施例1的电池复合材料的制备方法所制得的成品粉末制成的钮扣型电池的充放电性图。
图8为以实施例2的电池复合材料的制备方法所制得的成品粉末制成的钮扣型电池的充放电性图。
【符号说明】
S100、S200、S300、S400：步骤
S301、S302、S303：步骤
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非架构于限制本发明。
请参阅图1，其为本发明较佳实施例的电池复合材料的制备方法流程图。如图1所示，本发明电池复合材料的制备方法包括步骤如下：首先，如步骤S100所示，提供铁化合物、磷酸、锰化合物及锂化合物。其中，磷酸的化学式为H3PO4。于一些实施例中，锰化合物可为但不限于碳酸锰(MnCO3)、氧化锰(MnO)或其他含锰且可于磷酸水溶液中释放出锰离子的化合物，并以碳酸锰为较佳。锂化合物可为但不限于氢氧化锂(LiOH)、碳酸锂(Li2CO3)或其他含锂且可于磷酸水溶液中释放出锂离子的化合物，且以氢氧化锂为较佳。
于一些实施例中，铁化合物可选自但不限于Fe7(PO4)6、FePO4·2H2O、LiFePO4、Fe2O3、FeC2O4·2H2O、FeC6H5O7、其他含铁化合物及其组成的组的至少其中之一。其中，又以Fe7(PO4)6、FePO4·2H2O及LiFePO4等化合物为较佳的铁源。
接着，如步骤S200所示，将铁化合物与去离子水混合搅拌，使铁化合物初步分散于去离子水中。接着，再加入重量百分浓度至少85％的磷酸并进行搅拌，使铁源进一步地均匀分散，形成第一磷酸溶液。然后，于第一磷酸溶液中加入第一定量的锰化合物，使锰化合物与第一磷酸溶液持续反应第一时间，以形成第一生成物溶液。换言之，以铁化合物作为铁源，并通过磷酸提高铁化合物于去离子水中的分散性，以促进后续反应的进行。于本实施例中，第一生成物溶液为含有铁化合物、锰离子及磷酸根离子的溶液。
于本实施例中，第一磷酸溶液中所含的磷酸根离子会提高锰化合物的解离度，使第一生成物溶液中的锰离子均匀分布。于一些实施例中，锰化合物与第一磷酸溶液持续反应的第一时间至少为24小时，且以24小时为较佳，但不以此为限，可根据第一磷酸溶液中所含的磷酸根浓度进行调整。
随后，如步骤S300所示，以至少第一生成物溶液、碳源及锂化合物进行反应，以生成前驱物。其中，该碳源可为但不限于糖类、有机化合物、聚合物或高分子材料，糖类可为果糖或乳糖的至少其中一种。
最后，如步骤S400所示，对前驱物进行热处理，以生成电池复合材料。通过本发明的制备方法所生成的电池复合材料的化学式为LiFexMn1-xPO4，x用以代表铁与锰的比例，其中，x大于等于0.1且小于等于0.9，并以0.27为较佳。
于一些实施例中，该步骤S300还包括将一过渡金属的氧化物与第一生成物溶液、碳源及锂化合物进行反应，并于该步骤S400生成含有金属氧化物的LiFexMn1-xPO4，或称为纳米金属氧化物共晶体化磷酸锂铁锰化合物(LFMP-NCO)，化学式为LiFexMn1-xPO4·zM，其中z大于等于1，M为过渡金属氧化物，该过渡金属可为但不限于五氧化二钒(V2O5)。
请接着参阅图2，其为本发明电池复合材料的制备方法的步骤S300的细部流程图。于铁源与锰源充分反应24小时后，如图2的步骤S301所示，于第一生成物溶液中加入锂化合物、碳源及分散剂，以形成第二生成物溶液。其中，分散剂可为非离子型界面活性剂，例如Triton X-100。接着如步骤S302所示，对第二生成物溶液进行一研磨动作，以生成前驱物溶液。于本实施例中该研磨动作通过球磨机例如以每分钟450转至每分钟600转的转速持续研磨1小时实现，但不以此为限。
然后，请再参阅图2，如步骤S303所示，将前驱物溶液进行干燥处理，以脱除多余水分，生成初步干燥的前驱物。最后，将初步干燥的前驱物置于一陶瓷匣钵中，再用保护气氛环绕该前驱物，例如填充氮气或惰性气体，然后，于保护气氛下将前驱物加热至第一温度，例如摄氏800度，且持续煅烧第二时间，例如但不限于至少7小时，以实现对该前驱物进行热处理。煅烧后生成本发明欲制备的电池复合材料的成品粉末，亦即磷酸锂铁锰，化学式为LiFexMn1-xPO4。于此热处理过程中，该前驱物所含的锰源会扩散进入铁源，以部分取代的方式使锰源环绕并包覆铁源，故可避免成品粉末于热处理过程中发生团聚效应，提高电池的电性表现。且通过本发明的制备方法所制得的成品粉末的粒径大小与作为原料的铁化合物的粒径大小相似，因此，在提高电池电性的同时更可提高产品的稳定性。
此外，通过调整铁化合物、磷酸、锰化合物以及锂化合物之间的配置，以决定步骤S400合成得到的该电池复合材料中铁与锰的比例，因此，可根据实际需求制备出具有理想电性的电池复合材料。
以下将以示范性实施例详细说明本发明的电池复合材料的制备方法。
实施例1
首先取103克的Fe7(PO4)6和2升的去离子水进行混合并充分搅拌，接着，加入重量百分浓度为85％的磷酸(H3PO4)264.4克，该磷酸亦可选用重量百分浓度85％以上的浓度，于搅拌均匀后再加入碳酸锰(MnCO3)进行反应，以形成第一生成物溶液。持续搅拌该第一生成物溶液24小时使其充分反应，然后，将132.1克的氢氧化锂(LiOH)、54克的果糖以及0.06克的Triton X-100加入该第一生成物溶液中，以形成第二生成物溶液。其中，果糖可以重量百分浓度12％的乳糖及重量百分浓度88％的果糖取代。接着，对该第二生成物溶液以球磨机进行研磨，并以每分钟450至650转的转速持续研磨一小时后生成磷酸锂铁锰(LiFexMn1- xPO4)的前驱物溶液。随后，将前驱物溶液进行干燥处理得到初步干燥的前驱物，最后，将该干燥的前驱物置于陶瓷匣钵中，并于保护气氛下，将该前驱物经过至少7小时且摄氏800度以上的煅烧过程，得到成品粉末。
实施例2
本实施例将实施例1的Fe7(PO4)6以LiFePO4取代，并对应调整其他反应物的配置。首先取118.32克的LiFePO4和2升的去离子水进行混合并充分搅拌，接着，加入重量百分浓度为85％的磷酸(H3PO4)264.4克，该磷酸亦可选用重量百分浓度85％以上的浓度，于搅拌均匀后再加入碳酸锰(MnCO3)进行反应，以形成第一生成物溶液。持续搅拌该第一生成物溶液24小时使其充分反应，然后，将132.1克的氢氧化锂(LiOH)、54克的果糖以及0.06克的Triton X-100加入该第一生成物溶液中，以形成第二生成物溶液。其中，果糖可以重量百分浓度12％的乳糖及重量百分浓度88％的果糖取代。接着，对该第二生成物溶液以球磨机进行研磨，并以每分钟450至650转的转速持续研磨一小时后生成磷酸锂铁锰(LiFexMn1-xPO4)的前驱物溶液。随后，将前驱物溶液进行干燥处理得到初步干燥的前驱物，最后，将该干燥的前驱物置于陶瓷匣钵中，并于保护气氛下，将该前驱物经过至少7小时且摄氏800度以上的煅烧过程，得到成品粉末。
将实施例1及实施例2所得的成品粉末以X光衍射(X-ray diffraction，XRD)进行分析，并对照国际衍射数据中心(International Center for Diffraction Data，ICDD)的资料，其结果分别如图3及图4所示，再通过扫描电子显微镜(scanning electronmicroscope，SEM)所呈现的表面形貌分别如图5及图6所示。如图3及图4所示，将实施例1及实施例2的成品粉末经X光衍射所测量到的资料与国际衍射中心所提供的LiFe0.3Mn0.7PO4的数据做比较，并计算拉曼位移(Raman shift)确认其化学式皆为LiFe0.27Mn0.73PO4。
如图5所示，实施例1所制得的成品粉末粒径平均小于100纳米，其反应物Fe7(PO4)6的粒径平均亦小于100纳米。另如图6所示，实施例2所制得的成品粉末粒径介于100纳米至300纳米之间，其反应物LiFePO4的粒径亦介于100纳米至300纳米之间。换言之，铁源的粒径大小与制备而得的成品粉末的粒径大小相似，其成品粉末的粒径大小未受团聚现象影响而增大，故具有较佳的电池电性表现。
将实施例1及实施例2所制得的成品粉末涂布在铝基板上，并组装成钮扣型电池(coin cell)，并利用充放电机进行0.1库仑充放2个循环以及2库仑充放2个循环的电性测试，测试结果分别如图7及图8所示，因此，将实施例1及实施例2所制得的成品粉末作为电池的正极材料具有较稳定的充放电平台，并具有较高的电池电容量，因此，通过本发明的电池复合材料的制备方法可提高电池的电性表现。
综上所述，本发明的电池复合材料的制备方法，通过锰源扩散进入铁源的方式，避免成品粉末之间于热处理过程中发生团聚效应，达到提高电池电性表现及稳定性的优点。同时，通过铁源粒径的选择以及锰源比例的配置，以根据实际需求制备出具有理想电性表现的电池复合材料。
本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所请求保护的范围。

Claims (13)

1.一种电池复合材料的制备方法，依序至少包括步骤：
(a)提供铁化合物、磷酸、锰化合物、锂化合物及碳源，其中该磷酸的化学式为H3PO4，该铁化合物为Fe7(PO4)6；
(b)将该铁化合物与去离子水混合搅拌，再加入该磷酸并进行搅拌，以形成第一磷酸溶液，于该第一磷酸溶液中加入第一定量的该锰化合物，使该锰化合物与该第一磷酸溶液持续反应一第一时间，以形成该第一生成物溶液；
(c)以至少该第一生成物溶液、该碳源及该锂化合物进行反应，以生成前驱物，该碳源为糖类、有机化合物、聚合物或高分子材料；以及
(d)对该前驱物进行热处理，以生成该电池复合材料，该电池复合材料的化学式为LiFexMn1-xPO4，其中x大于0。
2.如权利要求1所述的电池复合材料的制备方法，其中于该步骤(c)还包括以一过渡金属氧化物与该第一生成物溶液、该碳源及该锂化合物进行反应的步骤，且于该步骤(d)生成的该电池复合材料为纳米金属氧化物共晶体化磷酸锂铁锰化合物。
3.如权利要求1所述的电池复合材料的制备方法，其中该电池复合材料的化学式中，x大于等于0.1并小于等于0.9，且x由该第一定量的锰化合物的配置决定。
4.如权利要求3所述的电池复合材料的制备方法，其中该电池复合材料的化学式中，该x为0.27。
5.如权利要求1所述的电池复合材料的制备方法，其中该第一时间为至少24小时。
6.如权利要求1所述的电池复合材料的制备方法，其中该步骤(c)还包括步骤：
(c1)于该第一生成物溶液中加入该锂化合物、该碳源及分散剂，以形成第二生成物溶液；
(c2)对该第二生成物溶液进行一研磨动作，以生成前驱物溶液；以及
(c3)对该前驱物溶液进行干燥处理，以生成该前驱物。
7.如权利要求6所述的电池复合材料的制备方法，其中该研磨动作通过球磨机实现。
8.如权利要求1所述的电池复合材料的制备方法，其中该步骤(d)还包括步骤：将该前驱物置于一陶瓷匣钵中，并于保护气氛下，将该前驱物加热至一第一温度且持续煅烧一第二时间，以生成该电池复合材料的粉末。
9.如权利要求8所述的电池复合材料的制备方法，其中该第一温度为摄氏800度以上，该第二时间为至少7小时。
10.如权利要求1所述的电池复合材料的制备方法，其中该步骤(b)还包括步骤：将103克的Fe7(PO4)6与2升的该去离子水混合搅拌，再加入264.4克的该磷酸并进行搅拌，以形成第一磷酸溶液，于该第一磷酸溶液中加入第一定量的MnCO3，使该MnCO3与该第一磷酸溶液持续反应一第一时间，以形成该第一生成物溶液。
11.如权利要求1所述的电池复合材料的制备方法，其中该步骤(b)还包括步骤：将118.32克的LiFePO4与2升的该去离子水混合搅拌，再加入264.4克的该磷酸并进行搅拌，以形成第一磷酸溶液，于该第一磷酸溶液中加入第一定量的MnCO3，使该MnCO3与该第一磷酸溶液持续反应一第一时间，以形成该第一生成物溶液。
12.一种电池复合材料的制备方法，依序至少包括步骤：
(a)提供铁化合物、磷酸、MnCO3、LiOH及碳源，其中该磷酸的化学式为H3PO4，该铁化合物为Fe7(PO4)6；
(b)将该铁化合物与去离子水混合搅拌，再加入该磷酸并进行搅拌，以形成第一磷酸溶液，于该第一磷酸溶液中加入第一定量的该MnCO3，使该MnCO3与该第一磷酸溶液持续反应一第一时间，以形成该第一生成物溶液；
(c)以该第一生成物溶液、碳源及该LiOH进行反应，以生成前驱物，该碳源为糖类、有机化合物、聚合物或高分子材料；以及
(d)对该前驱物进行热处理，以生成该电池复合材料，该电池复合材料的化学式为LiFexMn1-xPO4，其中x大于等于0.1并小于等于0.9。
13.一种电池复合材料的前驱物的制备方法，依序至少包括步骤：
以铁化合物与在磷酸水溶液中释放锰离子的化合物进行反应，以形成第一生成物溶液，其中该铁化合物为Fe7(PO4)6；
使该第一生成物溶液与在磷酸水溶液中释放锂离子的化合物进行反应，以形成前驱物溶液；以及
干燥该前驱物溶液，以得到电池复合材料的前驱物，该前驱物的化学式为LiFexMn1- xPO4，其中x大于0。
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