CN105633405A - 一种磷酸锰锂纳米棒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷酸锰锂纳米棒的制备方法，属于锂离子电池的正极材料技术领域。该方法过程包括：将硫酸锰或醋酸锰和十二烷基笨磺酸钠溶于多元醇中配制成A溶液；将氢氧化锂或醋酸锂溶于多元醇配成B溶液，将B溶液滴入到A溶液得到锂盐、锰盐的前驱体溶液；向前驱体溶液中加入磷酸搅拌，所得溶液进行溶剂热反应、后处理得到磷酸锰锂纳米棒。本发明的优点是产物质量稳定，纯度高，分散性好，有利于锂离子扩散，从而提高锂离子电池的大电流充放电性能，且制备工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种磷酸锰锂纳米棒的制备方法，属于锂离子电池的正极材料技术领域。
背景技术
锂离子电池是继铅酸、镍镉、镍氢电池之后发展起来的新型绿色二次电源体系。因具有工作电压高、比能量高、容量大、自放电小、循环性能好、使用寿命长、质量轻、体积小而且无公害、无污染等突出优点而倍受人们的青睐，且已成为移动电话、数码相机、笔记本电脑等便携电子设备的首选电源，未来有望在电动汽车、航天航空、军事移动通信工具和设备等领域实现大规模应用。近些年来，日益扩大的电动汽车发展将会给锂离子电池提供更大的发展空间。
现有的正极材料中，聚阴离子磷酸盐类材料由于具有结构稳定、安全性能优异、循环寿命长等优点而倍受关注，目前应用较为广泛的是磷酸铁锂（LiFePO4）材料，但是，磷酸铁锂3.4V的电压平台严重限制了电池能量密度的提高，从而使其市场应用受到限制。相比之下，磷酸锰锂（LiMnPO4）正极材料相对金属锂的电压平台为4.1V，不仅比磷酸铁锂材料的电压高出0.7V，而且此电压符合现有的商业化电解液体系的稳定电压窗口，这意味着在同样容量发挥条件下，以磷酸锰锂为正极材料的锂离子电池的能量密度将比磷酸铁锂电池至少提高20%。虽然磷酸锰锂材料具有能量密度和成本上的优势，但是其电子电导率和锂离子扩散速率较低，使得未经改性的磷酸锰锂材料无法满足实际应用需要。为了满足其应用需求，就必须对其进行改性，以提高电化学性能。目前实验室内制备的磷酸锰锂微观形貌集中在菱型的块状和球形，颗粒粒径较大，这种形貌皆不利于提升锂离子电池的能量密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磷酸锰锂纳米棒的制备方法，该方法优势在于工艺简单稳定，不发生团聚，形成纳米棒状，且形貌易于控制，既降低成本，又提高磷酸锰锂的性能。
本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种磷酸锰锂纳米棒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在搅拌下，将硫酸锰或醋酸锰溶于多元醇中配制成浓度为0.2~0.8mol/L的溶液，所述多元醇为乙二醇、二甘醇和三甘醇中的一种，继续搅拌下按十二烷基笨磺酸钠与Mn的摩尔比为1:5，向该溶液中加入十二烷基笨磺酸钠，得到溶液A；
2）将氢氧化锂或醋酸锂溶于多元醇中配制成浓度为0.2~0.8mol/L的B溶液，所述多元醇为乙二醇、二甘醇和三甘醇中的一种；再按B溶液中的Li与步骤1）制得的A溶液中Mn的摩尔比为1:1，将溶剂相同的B溶液滴入到A溶液中搅拌0.5~2h，得到锂盐、锰盐的前驱体溶液；
3）按P：Li的摩尔比为1:1，将质量浓度为85%的磷酸逐滴加入到步骤2）中制得的前驱体溶液中，搅拌后转移到高压反应釜中，密闭，在温度160~240℃下保温4~20h后，降至室温，取出反应产物，过滤，依次用去离子水和无水乙醇洗涤至洗涤液无色，冷冻干燥，研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
本发明的优点，以多元醇为反应溶剂，结合十二烷基笨磺酸钠的表面修饰作用，调控热处理过程中磷酸锰锂的核化和生长过程，实现磷酸锰锂纳米棒的溶剂热合成。采用去离子水和无水乙醇洗涤，以及冷冻干燥，所制得的磷酸锰锂纳米棒质量稳定，纯度高，分散性好，有利于锂离子扩散，从而提高锂离子电池的大电流充放电性能，且制备工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于规模化生产。
附图说明
图1为实施例1所制备的磷酸锰锂纳米棒的SEM照片。
图2为实施例1所制备的磷酸锰锂纳米棒的XRD衍射图。
图3为实施例1所制备的磷酸锰锂纳米棒作为正极材料组装的锂离子电池的充放电曲线图。
具体实施方式
实施例1
称取2.2058g四水合醋酸锰溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h，加入0.6273g十二烷基笨磺酸钠搅拌1h，得到醋酸锰的十二烷基笨磺酸钠溶液A。另称取0.378g一水合氢氧化锂溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h后得到溶液B，将溶液B逐滴加入到A溶液中搅拌0.5h，得到混合溶液，最后向混合溶液逐滴加入质量浓度为85%的磷酸1.038g搅拌1h，得到前驱体溶液，然后转移到聚四氟乙烯的反应内釜中，密闭，在200℃下保温10h后，降至室温，取出生成液，滤去上层清液后得到沉淀物，加入去离子水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为10000转/分钟，时长为10分钟，滤去上层清液后，再次加入去离子水振荡至悬浮液进行离心，重复至洗涤液颜色透明，而后将去离子水换为无水乙醇，重复振荡和离心的过程，至洗涤液颜色透明，取出沉淀物，置于冷冻干燥机中干燥12h后研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
将磷酸锰锂纳米棒0.32g与导电碳黑0.04g、粘结剂PVDF0.33g混料，加入适量NMP至混合物呈粘稠状，搅拌3~4h，将其涂覆在集流体Al箔上，在120℃下烘干10h后，铳取直径为1cm的圆片，将其与隔膜、负极Li箔、垫片以及电解液组装成电池，在蓝电电池测试系统下测试其0.1C倍率下充放电比容量得到附图3所示性能。
实施例2
称取2.2058g四水合醋酸锰溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h，加入0.6273g十二烷基笨磺酸钠搅拌1h，得到醋酸锰的十二烷基笨磺酸钠溶液A。另称取0.378g一水合氢氧化锂溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h后得到溶液B，将溶液B逐滴加入到A溶液中搅拌0.5h，得到混合溶液，最后向混合溶液逐滴加入质量浓度为85%的磷酸1.038g搅拌1h，得到前驱体溶液，然后转移到聚四氟乙烯的反应内釜中，密闭，在200℃下保温16h后，降至室温，取出生成液，滤去上层清液后得到沉淀物，加入去离子水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为10000转/分钟，时长为10分钟，滤去上层清液后，再次加入去离子水振荡至悬浮液进行离心，重复至洗涤液颜色透明，而后将去离子水换为无水乙醇，重复振荡和离心的过程，至洗涤液颜色透明，取出沉淀物，置于冷冻干燥机中干燥12h后研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
实施例3
称取0.7353g四水合醋酸锰溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h，加入0.2091g十二烷基笨磺酸钠搅拌1h，得到醋酸锰的十二烷基笨磺酸钠溶液A。另称取0.126g一水合氢氧化锂溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h后得到溶液B，将溶液B逐滴加入到A溶液中搅拌0.5h，得到混合溶液，最后向混合溶液逐滴加入质量浓度为85%的磷酸0.346g搅拌1h，得到前驱体溶液，然后转移到聚四氟乙烯的反应内釜中，密闭，在200℃下保温10h后，降至室温，取出生成液，滤去上层清液后得到沉淀物，加入去离子水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为10000转/分钟，时长为10分钟，滤去上层清液后，再次加入去离子水振荡至悬浮液进行离心，重复至洗涤液颜色透明，而后将去离子水换为无水乙醇，重复振荡和离心的过程，至洗涤液颜色透明，取出沉淀物，置于冷冻干燥机中干燥12h后研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
实施例4
称取1.4706g四水合醋酸锰溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h，加入0.4182g十二烷基笨磺酸钠搅拌1h，得到醋酸锰的十二烷基笨磺酸钠溶液A。另称取0.252g一水合氢氧化锂溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h后得到溶液B，将溶液B逐滴加入到A溶液中搅拌0.5h，得到混合溶液，最后向混合溶液逐滴加入质量浓度为85%的磷酸0.692g搅拌1h，得到前驱体溶液，然后转移到聚四氟乙烯的反应内釜中，密闭，在200℃下保温10h后，降至室温，取出生成液，滤去上层清液后得到沉淀物，加入去离子水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为10000转/分钟，时长为10分钟，滤去上层清液后，再次加入去离子水振荡至悬浮液进行离心，重复至洗涤液颜色透明，而后将去离子水换为无水乙醇，重复振荡和离心的过程，至洗涤液颜色透明，取出沉淀物，置于冷冻干燥机中干燥12h后研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
实施例5
称取2.2058g四水合醋酸锰溶于15mL二甘醇中搅拌0.5h，加入0.6273g十二烷基笨磺酸钠搅拌1h，得到醋酸锰的十二烷基笨磺酸钠溶液A。另称取0.378g一水合氢氧化锂溶于15mL二甘醇中搅拌0.5h后得到溶液B，将溶液B逐滴加入到A溶液中搅拌0.5h，得到混合溶液，最后向混合溶液逐滴加入质量浓度为85%的磷酸1.038g搅拌1h，得到前驱体溶液，然后转移到聚四氟乙烯的反应内釜中，密闭，在200℃下保温10h后，降至室温，取出生成液，滤去上层清液后得到沉淀物，加入去离子水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为10000转/分钟，时长为10分钟，滤去上层清液后，再次加入去离子水振荡至悬浮液进行离心，重复至洗涤液颜色透明，而后将去离子水换为无水乙醇，重复振荡和离心的过程，至洗涤液颜色透明，取出沉淀物，置于冷冻干燥机中干燥12h后研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
实施例6
称取2.2058g四水合醋酸锰溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h，加入0.6273g十二烷基笨磺酸钠搅拌1h，得到醋酸锰的十二烷基笨磺酸钠溶液A。另称取0.378g一水合氢氧化锂溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h后得到溶液B，将溶液B逐滴加入到A溶液中搅拌0.5h，得到混合溶液，最后向混合溶液逐滴加入质量浓度为85%的磷酸1.038g搅拌1h，得到前驱体溶液，然后转移到聚四氟乙烯的反应内釜中，密闭，在200℃下保温4h后，降至室温，取出生成液，滤去上层清液后得到沉淀物，加入去离子水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为10000转/分钟，时长为10分钟，滤去上层清液后，再次加入去离子水振荡至悬浮液进行离心，重复至洗涤液颜色透明，而后将去离子水换为无水乙醇，重复振荡和离心的过程，至洗涤液颜色透明，取出沉淀物，置于冷冻干燥机中干燥12h后研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
实施例7
称取2.2058g四水合醋酸锰溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h，加入0.6273g十二烷基笨磺酸钠搅拌1h，得到醋酸锰的十二烷基笨磺酸钠溶液A。另称取0.378g一水合氢氧化锂溶于15mL乙二醇中搅拌0.5h后得到溶液B，将溶液B逐滴加入到A溶液中搅拌0.5h，得到混合溶液，最后向混合溶液逐滴加入质量浓度为85%的磷酸1.038g搅拌1h，得到前驱体溶液，然后转移到聚四氟乙烯的反应内釜中，密闭，在180℃下保温10h后，降至室温，取出生成液，滤去上层清液后得到沉淀物，加入去离子水进行超声振荡，而后使用离心机进行离心，转速为10000转/分钟，时长为10分钟，滤去上层清液后，再次加入去离子水振荡至悬浮液进行离心，重复至洗涤液颜色透明，而后将去离子水换为无水乙醇，重复振荡和离心的过程，至洗涤液颜色透明，取出沉淀物，置于冷冻干燥机中干燥12h后研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
Claims (1)
1.一种磷酸锰锂纳米棒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在搅拌下，将硫酸锰或醋酸锰溶于多元醇中配制成浓度为0.2~0.8mol/L的溶液，所述多元醇为乙二醇、二甘醇和三甘醇中的一种，继续搅拌下按十二烷基笨磺酸钠与Mn的摩尔比为1:5，向该溶液中加入十二烷基笨磺酸钠，得到溶液A；
2）将氢氧化锂或醋酸锂溶于多元醇中配制成浓度为0.2~0.8mol/L的B溶液，所述多元醇为乙二醇、二甘醇和三甘醇中的一种；再按B溶液中的Li与步骤1）制得的A溶液中Mn的摩尔比为1:1，将溶剂相同的B溶液滴入到A溶液中搅拌0.5~2h，得到锂盐、锰盐的前驱体溶液；
3）按P：Li的摩尔比为1:1，将质量浓度为85%的磷酸逐滴加入到步骤2）中制得的前驱体溶液中，搅拌后转移到高压反应釜中，密闭，在温度160~240℃下保温4~20h后，降至室温，取出反应产物，过滤，依次用去离子水和无水乙醇洗涤至洗涤液无色，冷冻干燥，研磨得到磷酸锰锂纳米棒。
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2016
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Patent Citations (2)
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| JP2013107815A (ja) * | 2011-10-24 | 2013-06-06 | Kri Inc | カーボン被覆リン酸マンガンリチウム粒子 |
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|---|
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