CN105633366A - C及锂钒氧化物导电层共包覆磷酸锰铁锂正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种C和锂钒氧化物导电层共包覆磷酸锰铁锂正极材料及其制备方法,属于锂离子电池正极材料制备技术。以LiMn1-<i>x</i>Fe<i>x</i>PO4?(0≤<i>x</i><0.2)为基体,在其表面包覆C和LVO,C的含量占LiMn1-<i>x</i>Fe<i>x</i>PO4?(0≤<i>x</i><0.2)的质量百分比1%~20%,LVO含量占LiMn1-<i>x</i>Fe<i>x</i>PO4?(0≤<i>x</i><0.2)的质量百分比0.?5~20%。本发明改善了Li+在LiMn1-<i>x</i>Fe<i>x</i>PO4?(0≤<i>x</i><0.2)颗粒之间的界面传导性能,阻止了LiMn1-<i>x</i>Fe<i>x</i>PO4?(0≤<i>x</i><0.2)颗粒与电解液的直接接触,降低了LiMn1-<i>x</i>Fe<i>x</i>PO4?(0≤<i>x</i><0.2)被电解液的腐蚀,提高了电池的循环特性。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料及其制备技术领域,特别涉及C和锂钒氧化物共包覆的LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)锂离子电池正极材料及制备方法。
背景技术
当今世界性的能源和环境危机日益严重,致使各国争相寻找新能源和开发新的交通工具,人们对可移动电源的需求愈来愈强烈,特别是对电动交通工具的要求不断提高,安全耐用、价廉质高、环境友好的化学电源技术已经成为一个国家能源安全的重要组成部分。锂离子电池正是为适应这种需求趋势而诞生的时代产物。在锂离子电池正极材料中,LiMnPO4材料的可逆电极电势为4.1Vvs.Li/Li+,高出磷酸铁锂0.7V,使其能量密度相对于LiFePO4可提高~20%。具有原料来源广泛、价格低廉、环境性能好、结构稳定、理论容量高、安全性能好等优点,受到产学界的广泛关注,具有广阔的应用前景。
但是,LiMnPO4正极材料的室温电子电导率低和锂离子扩散速率比较慢,使其电化学性能不是非常理想。目前,人们通常采用纳米化、体相掺杂以及表面C包覆等措施,以提高其电化学性能。虽然这些措施取得了一定的效果,但也还是存在缺陷。比如,纳米化只是缩短了Li+的扩散路程,材料的电导率仍然很低;体相掺杂Fe元素使材料产生晶格缺陷,提高了Li+晶体内部扩散速率,但颗粒之间的界面扩散速率并没有得到改善;表面C包覆可较大程度提高材料的电子电导率,但对于改善锂离子扩散速率帮助不大。
为了改善LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)的充放电性能,本发明采用了C和具有一定导电性的锂-过渡金属氧化物包覆新思路,对LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)进行了C和LVO共包覆,研究包覆改性对LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)电化学性能的影响,并总结出制备高性能LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)正极材料的较优工艺和适宜的添加剂及其添加量,获得了具有优良电化学性能的锂离子电池正极材料,为开发其在电动车的应用,奠定了良好的基础。
发明内容
本发明对锂离子电池正极材料LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)进行C和LVO共包覆。引入LVO的包覆弥补了C包覆层离子导电性不佳的缺陷,使得LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)材料的表面电子电导率及离子电导率得到了很大的改善,与单纯C包覆相比,大大改善了Li+在LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)颗粒之间的界面传导性能,此外还阻止了LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)颗粒与电解液的直接接触,降低了LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)被电解液的腐蚀,提高了电池的循环特性。
本发明的目的在于提供一种C和锂钒氧化物共包覆的锂离子电池正极材料LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)及制备方法。
本发明的技术如下:
本发明的第一方面,提供了一种C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰铁锂复合材料,所述复合材料包括C及锂钒氧化物共包覆层和磷酸锰铁锂颗粒内核。
所述内核LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)粉体是采用固相法或者湿化学法制备所得。
所述内核LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)粉体的粒径为10-900nm。
其中,C和锂钒氧化物的组成和质量百分含量如下:C的含量占LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)的质量百分比为1%-20%,LVO含量占LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)的质量百分比0.5-20%。
所述锂钒氧化物化学式中Li:V:O三种元素的化学计量比,在符合电中性的条件下可取任何值。其中,V元素的价态可以任意取+2、+3、+4、+5价中的一种或多重价态的组合。
在另一优选例中,所述复合材料的粒径为20-600nm,较佳地为20-400nm,更佳地为20-200nm。
在另一优选例中,所述碳及LVO共包覆层的厚度为0.5-18nm,较佳地为1-15nm,更佳地为1-8nm。
在另一优选例中,所述碳及LVO共包覆层均匀包覆在所述LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)颗粒外周。
在另一优选例中,所述复合材料为纳米颗粒或纳米颗粒团聚成的二次颗粒。
在另一优选例中,所述复合材料形状为类球状、棒状、橄榄石状。
在另一优选例中,所述LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)颗粒的粒径为5-500nm,较佳地为10-300nm,更佳地为20-200nm,最佳地为20-150nm。
在另一优选例中,所述复合材料中C的含量占LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)的质量百分比为1%-20%,较佳地为1%-10%,更佳地为1%-8%,最佳地为1.0%-5%。
在另一优选例中,所述复合材料中LVO含量占LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)的质量百分比为0.5%-20%,较佳地为0.5%-10%,更佳地为1.0%-8%,最佳地为1.0%-5%。
在另一优选例中,所述复合材料中所述锂钒氧化物中Li:V:O的比值为0.1-5:1:1-5,较佳地为0.1-4:1:1-5,更佳地为0.2-3:1:1-4,最佳地为0.33-2:1:1-4。
在另一优选例中,所述C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料是由本发明第二方面所述方法制得的。
本发明的第二方面,提供了两种制备本发明第一方面所述复合材料的方法,所述方法包括如下步骤:
Ⅰ.两步混合法制备C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料
(ⅰ-1)将LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)粉体和碳源按照一定比例称量,混合均匀后,在惰性气氛保护下于T1温度下烧结t1h,研磨,过筛,得到LiMn1-x Fe x PO4/C(0≤x<0.2);
(ⅰ-2)将上述步骤(1)中所得LiMn1-x Fe x PO4/C(0≤x<0.2)粉体与V源及Li源按照一定比例称量,混合均匀后,在惰性气氛保护下于T2温度下烧结t2h,研磨,过筛,得到导电C及LVO共包覆的锂离子电池磷酸锰铁锂正极材料。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-1)中碳源化合物选自下组中的一种:导电炭黑、碳纳米管、乙炔黑、乳糖、蔗糖、葡萄糖、多聚糖、多元醇、多聚醇或其组合。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-1)中磷酸锰铁锂粉体与碳源的混合方式为球磨混合;较佳地为加入适量酒精或去离子水,湿磨混合,干燥后粉碎;更佳地为先将碳源溶于去离子水形成溶液,再将磷酸锰铁锂粉体倒入碳源溶液中,待磷酸锰铁锂粉体被彻底浸润后,加热蒸干,粉碎。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-1)中烧结温度T1为400-700℃,较佳地为500-650℃,更佳地为550-650nm。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-1)中烧结时间t1为0.5-10h,较佳地为0.5-8h,更佳地为1.0-6.0h,最佳地为1.5-4.0h。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-2)中V源化合物选自下组中的一种:NH4VO3、V2O5、V2O3、V2O4、VO或其组合。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-2)中Li源化合物选自下组中的一种:LiOH.H2O、LiCO3、LiAc、草酸锂或其组合。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-2)中磷酸锰铁锂粉体与Li源及V源的混合方式为球磨混合;较佳地为加入适量酒精或去离子水,湿磨混合,干燥后粉碎;较佳地为先将Li源及V源溶于去离子水形成溶液,再将磷酸锰铁锂粉体倒入Li源及V源溶液中,待磷酸锰铁锂粉体被彻底浸润后,加热蒸干后粉碎;更佳地为先将Li源及V源溶于(去离子水+酒精)混合溶剂中形成溶液,再将磷酸锰铁锂粉体倒入Li源及V源溶液中,待磷酸锰铁锂粉体被彻底浸润后,加热蒸干,粉碎
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-2)中烧结温度T2为300-700℃,较佳地为400-650℃,更佳地为400-550nm。
在另一优选例中,所述步骤(ⅰ-2)中烧结时间t2为0.5-10h,较佳地为0.5-8.0h,更佳地为1.0-6.0h,更佳地为2-5h。
Ⅱ.一步混合法制备C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料
将LiMn1-x Fe x PO4(0≤x<0.2)粉体和碳源、V源以及Li源按照一定比例称量,混合均匀后,在惰性气氛保护下于T1温度下烧结t1h,研磨,过筛;然后在惰性气氛保护下于T2温度下烧结t2h,研磨,过筛,得到导电C及LVO共包覆的锂离子电池磷酸锰铁锂正极材料。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中碳源化合物选自下组中的一种:导电炭黑、碳纳米管、乙炔黑、乳糖、蔗糖、葡萄糖、多聚糖、多元醇、多聚醇或其组合。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中V源化合物选自下组中的一种:NH4VO3、V2O5、V2O3、V2O4、VO或其组合。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中Li源化合物选自下组中的一种:LiOH.H2O、LiCO3、LiAc、草酸锂或其组合。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中磷酸锰铁锂粉体与碳源、V源以及Li源的混合方式为球磨混合;较佳地为加入适量酒精或去离子水,湿磨混合,干燥后粉碎;更佳地为先将碳源、V源以及Li源溶于去离子水形成溶液,再将磷酸锰铁锂粉体倒入碳源、V源以及Li源溶液中,待磷酸锰铁锂粉体被彻底浸润后,加热蒸干,粉碎。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中烧结温度T1为300-500℃,较佳地为350-500℃,更佳地为350-450nm。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中烧结时间t1为0.5-10h,较佳地为0.5-8.0h,更佳地为1.0-6.0h,更佳地为2-5h。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中烧结温度T2为400-700℃,较佳地为400-650℃,更佳地为450-600nm。
在另一优选例中,所述步骤Ⅱ中烧结时间t2为0.5-10h,较佳地为0.5-8.0h,更佳地为1.0-6.0h,更佳地为2-5h。
本发明的第三方面,提供了一种本发明第一方面所述C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰铁锂复合材料的用途,用于制备锂离子电池正极材料。
本发明的第四方面,提供了一种锂离子电池正极材料,所述正极材料包含本发明第一方面所述C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰铁锂复合材料作为锂离子电池正极活性材料。
应理解,在本发明范围内中,本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合,从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅,在此不再一一累述。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的C及LVO共包覆的磷酸锰锂复合材料的XRD衍射图。
图2是本发明实施例1制备的C及LVO共包覆的磷酸锰锂复合材料的SEM图片。
图3是本发明实施例1制备的LiMnPO4/C_LVO的充放电曲线图。
图4是本发明实施例1制备的LiMnPO4/C_LVO的循环曲线图。
图5是本发明对比例1制备的LiMnPO4/C材料的充放电曲线图。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究,发现采用导电C与锂钒氧化物对磷酸锰锂基材料进行表面共包覆处理,使材料的表面电子电导率及离子电导率得到改善,显著地材料的电化学性能。所述改进表面共包覆技术工艺简单易行,对设备要求低,易于实用于批量生产。基于上述发现,发明人完成了本发明。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明,但应当理解,下述实施例仅用于对本发明的说明,而并不以任何方式限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明,否则百分比和份数按重量计算。
除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1:
第一步,将0.375g蔗糖溶于10mL去离子水中形成溶液a。将3g用共沉淀法制备所得LiMnPO4粉体倒入溶液a中,搅拌,保证溶液a将LiMnPO4粉体彻底浸润,形成悬浊液b。
第二步,将悬浊液b置于60℃烘箱中干燥24h,粉碎,得粉末c。将粉末c在惰性气氛保护下置于600℃下烧结2小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到黑色LiMnPO4_C粉体。
第三步,称取0.0351g偏钒酸铵(NH4VO3)及0.0252g一水合氢氧化锂(LiOH.H2O)溶于8mL去离子水中,同时加入3mL无水乙醇,形成溶液d。
第四步,将1.5g第二部中所得黑色LiMnPO4_C粉末加入溶液d中,搅拌,保证溶液d将黑色LiMnPO4_C粉体彻底浸润,形成悬浊液e。
第五步,将悬浊液e置于60℃烘箱中干燥24h,粉碎,得粉末f。将粉末f在惰性气氛保护下置于500℃下烧结3小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料(LiMnPO4/C_LVO)。
对实施例1制备的C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料进行组分检测。采用德国BrukerD8advance-X射线衍射仪型(XRD)对其组分进行检测,结果如图1所示。其中,纵坐标为衍射强度,单位为:任一单位(a.u.);横坐标为角度2θ,单位为:度(o)。由图1可知,其XRD衍射谱中表现出来的是磷酸锰锂特征峰(*),无杂质峰。
采用日本日立公司FESEMS-4800型场发射扫描电子显微镜对实施例1制备的磷酸锰铁锂材料进行形貌检测,结果如图2所示。由图2可知,本发明制备的C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料纳米级类球状颗粒。
将0.4g上述所得LiMnPO4/C_LVO与导电碳黑0.05g、粘结剂(PVDF)0.05g混和均匀,加入适量NMP至混合物呈适度粘稠状,搅拌3~4h,将其涂覆在Al箔集流体上,置于120℃真空烘箱中烘干10h后,切成直径为14mm的圆片。以所得电极片为正极,金属锂片做负极组装成电池,在蓝电电池测试系统下测试其电化学性能,充放电截止电压分别为4.4-2.2V。0.1C倍率下的充放电比容量以及0.5C倍率下的循环性能分别如附图3、附图4所示。由图4可知,本实施例所得LiMnPO4/C_LVO正极材料在室温下0.1C放电比容量达到155.8mAh/g;由图4可知,0.5C常温循环40周,容量保持率在95%以上,具有非常好的循环稳定性。
对比例1
第一步,将0.375g蔗糖溶于10mL去离子水中形成溶液a。将3g用共沉淀法制备所得LiMnPO4粉体倒入溶液a中,搅拌,保证溶液a将LiMnPO4粉体彻底浸润,形成悬浊液b。
第二步,将悬浊液b置于60℃烘箱中干燥24h,粉碎,得粉末c。将粉末c在惰性气氛保护下置于600℃下烧结2小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到黑色LiMnPO4_C粉体。
第三步,将1.5g第二部中所得黑色LiMnPO4_C粉末加入由8mL去离子水+3mL无水乙醇混合液中,搅拌,保黑色LiMnPO4_C粉体被乙醇水溶液彻底浸润,形成悬浊液d。
第四步,将悬浊液d置于60℃烘箱中干燥24h,粉碎,得粉末e。将粉末e在惰性气氛保护下置于500℃下烧结3小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到对比样品:碳包覆的磷酸锰锂复合材料(LiMnPO4/C)。
将0.4g上述所得LiMnPO4/C与导电碳黑0.05g、粘结剂(PVDF)0.05g混和均匀,加入适量NMP至混合物呈适度粘稠状,搅拌3~4h,将其涂覆在Al箔集流体上,置于120℃真空烘箱中烘干10h后,切成直径为14mm的圆片。以所得电极片为正极,金属锂片做负极组装成电池,在蓝电电池测试系统下测试其电化学性能,充放电截止电压分别为4.4-2.2V。0.1C倍率下的充放电比容量如附图5所示。由图5可知,本对比例所得LiMnPO4/C正极材料在室温下0.1C放电比容量为131.2mAh/g。
实施例2:
第一步,将0.375g蔗糖溶于10mL去离子水中形成溶液a。将3g用共沉淀法制备所得LiMnPO4粉体倒入溶液a中,搅拌,保证溶液a将LiMnPO4粉体彻底浸润,形成悬浊液b。
第二步,将悬浊液b置于60℃烘箱中干燥24h,粉碎,得粉末c。将粉末c在惰性气氛保护下置于600℃下烧结2小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到黑色LiMnPO4_C粉体。
第三步,称取0.0702g偏钒酸铵(NH4VO3),0.0504g一水合氢氧化锂(LiOH.H2O)以及2g第二部中所得黑色LiMnPO4_C粉末,将称量好的药品倒入球磨罐中,同时加入5mL无水乙醇,以300r/min的速率球磨4小时后烘干,粉碎,得到粉末d。
第四步,将粉末d在惰性气氛保护下置于500℃下烧结3小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料(LiMnPO4/C_LVO)。
实施例3:
第一步,称取0.375g蔗糖,0.0702g偏钒酸铵(NH4VO3),0.0504g一水合氢氧化锂(LiOH.H2O)以及2.5g用共沉淀法制备所得LiMnPO4粉体,将称量好的药品倒入球磨罐中,同时加入6mL无水乙醇,以300r/min的速率球磨4小时后烘干,粉碎,得到粉末a。
第二步,将粉末a在惰性气氛保护下置于600℃下烧结3小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料(LiMnPO4/C_LVO)。
实施例4:
第一步,将0.375g蔗糖和3g用共沉淀法制备所得LiMn0.9Fe0.1PO4粉体,将称量好的药品倒入球磨罐中,同时加入6mL无水乙醇,以300r/min的速率球磨4小时后烘干,粉碎,得到粉末a。
第二步,将粉末a在惰性气氛保护下置于55℃下烧结3.5小时,冷却至室温后取出,过筛,得到黑色LiMnPO4_C粉体。
第三步,称取0.1092g五氧化二钒(V2O5),0.0504g一水合氢氧化锂(LiOH.H2O)以及2.5g第二部中所得黑色LiMnPO4_C粉末,将称量好的药品倒入球磨罐中,同时加入6mL无水乙醇,以300r/min的速率球磨4小时后烘干,粉碎,得到粉末b。
第四步,将粉末b在惰性气氛保护下置于500℃下烧结3小时。待冷却至室温后取出,过筛,得到C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料(LiMn0.9Fe0.1PO4/C_LVO)。
Claims (10)
1.一种C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰铁锂复合材料,其特征是:以LiMn1-xFexPO4(0≤x<0.2)为基体,在其表面包覆C和LVO;其组成和质量百分含量如下,
C的含量占LiMn1-xFexPO4(0≤x<0.2)的质量百分比为1%~20%,LVO含量占LiMn1-xFexPO4(0≤x<0.2)的质量百分比0.5~20%。
2.根据权利要求1所述C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料,其特征在于,所述锂钒氧化物化学式中Li:V:O三种元素的化学计量比,在符合电中性的条件下取值,其中,V元素的价态取+2、+3、+4、+5价中的一种或多重价态的组合。
3.一种权利要求1的C和锂钒氧化物共包覆的锂离子电池正极材料的制备方法,其特征是:将LiMn1-xFexPO4(0≤x<0.2)粉体和碳源按照一定比例称量,混合均匀后,在惰性气氛保护下于400~700℃下烧结0.5-10h,研磨,过筛,得到LiMn1-xFexPO4/C(0≤x<0.2);再将LiMn1-xFexPO4/C(0≤x<0.2)粉体与V源及Li源按照一定比例称量,混合均匀后,在惰性气氛保护下于300-700℃下烧结0.5-10h,研磨,过筛,得到导电C及LVO共包覆的锂离子电池磷酸锰铁锂正极材料。
4.一种权利要求1的C和锂钒氧化物共包覆的锂离子电池正极材料的制备方法,其特征是:将LiMn1-xFexPO4(0≤x<0.2)粉体和碳源、V源以及Li源按照一定比例称量,混合均匀后,在惰性气氛保护下于300-500℃下烧结0.5~10h,研磨,过筛;然后在惰性气氛保护下于400~700℃下烧结0.5-10h,研磨,过筛,得到导电C及LVO共包覆的锂离子电池磷酸锰铁锂正极材料。
5.根据权利要求书3或4所述任一项的C和锂钒氧化物包覆的磷酸锰锂复合材料的制备方法,其特征是:所述碳源化合物选自下组中的一种:导电炭黑、碳纳米管、乙炔黑、乳糖、蔗糖、葡萄糖、多聚糖、多元醇、多聚醇或其组合。
6.根据权利要求书3或4所述任一项的C和锂钒氧化物包覆的磷酸锰锂复合材料的制备方法,其特征是:所述V源化合物选自下组中的一种:NH4VO3、V2O5、V2O3、V2O4、VO或其组合。
7.根据权利要求书3或4所述任一项的C和锂钒氧化物包覆的磷酸锰锂复合材料的制备方法,其特征是:所述Li源化合物选自下组中的一种:LiOH.H2O、LiCO3、LiAc、草酸锂或其组合。
8.如权利要求3或4所述任意一项的C和锂钒氧化物包覆的磷酸锰锂复合材料的制备方法,其特征是:采用固相法或者湿化学法制备LiMn1-xFexPO4(0≤x<0.2)粉体。
9.一种权利要求1所述C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料的用途,其特征是:用于制备锂离子电池正极材料。
10.一种正极材料,其特征是:所述正极材料包含权利要求1所述C和锂钒氧化物共包覆的磷酸锰锂复合材料作为正极活性材料。
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