CN105870443B - 一种磷酸铁锂复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磷酸铁锂复合材料及其制备方法,本发明制备方法具有如下优势:1)综合利用天然的卤水锂资源作为锂源,降低了精制锂盐的使用量,材料合成成本降低。2)离子交换法使原料在原子级均匀分布,易通过短程扩散实现晶格矩阵的重排,合成过程能耗低,表现为较低的合成温度、较短的合成时间;粒度分布均匀,减小极化,提升电池倍率性能。3)通过硼砂‑盐酸缓冲液调配pH值合理控制镁的组分含量,制备锂位掺镁的磷酸铁锂,形成有利于晶体内部锂离子扩散迁移的锂空位,增加了材料的空穴浓度,提升充放电速率。4)从经济和环境保护考虑比其他方案有更大的优越性,特别是从高镁锂比液态卤水锂资源中提锂合成复合型电池材料具有实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域,尤其涉及一种磷酸铁锂复合材料及其制备方法。
背景技术
磷酸铁锂是较有前景的锂离子正极材料之一,相比钴酸锂等正极材料,磷酸铁锂成本低、无污染、安全性好、循环性能好等优点,是理想的动力电池正极材料,但其较差的导电性能大大限制了其广泛应用。目前提高磷酸铁锂导电性常用手段为表面包覆导电物。将表面包覆与体相掺杂相结合无疑能进一步提高材料的电化学性能,磷酸铁锂导电性能差的缺点已有了很大改观。
目前,磷酸铁锂的工业化合成方法仍以高温固相法为主,多使用电池级原料,配合相应的添加物,经过混料,烧成,后期处理等步骤而生产的。固相反应受扩散过程控制,合成温度过高不仅能耗高,而且易造成锂的挥发流失,为弥补这一损失,固相合成中多采用富锂设计配方,如过量5%wt,造成原料成本的提高;另外温度过高导致团聚严重,粒度分布不均、粒度大、内阻大、极化大。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种磷酸铁锂复合材料及其制备方法,旨在解决现有合成工艺中存在生产成本高、团聚严重,粒度分布不均、粒度大、内阻大、极化大的问题。
本发明的技术方案如下:
一种磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,包括步骤:
A、先将FePO4浸入稀酸液中处理后,然后加入到高镁锂比天然卤水锂中,使FePO4通过离子交换吸附高镁锂比天然卤水锂中的锂,同时富集高镁锂比天然卤水锂中的镁离子;
B、然后补加锂盐,调配锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,最后通过烧结得到磷酸铁锂复合材料。
所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,步骤A中,所述高镁锂比天然卤水锂为通过硼砂-盐酸缓冲液调节pH值后的高镁锂比天然卤水锂。
所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,步骤A中,所述稀酸为稀盐酸、稀硝酸、稀硫酸、稀氢氟酸中的一种。
所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,步骤B具体为:补加锂盐,调配锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,惰性气氛中烧结得到Li1-xMgxFePO4前驱体,其中,x≤0.05,然后Li1-xMgxFePO4前驱体与有机碳源混合,二次烧结得到原位包碳的磷酸铁锂复合材料。
所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,所述锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、硝酸锂中的一种或几种。
所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,二次烧结的烧结温度为650℃,烧结时间为15h。
所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,x=0.03。
所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,所述有机碳源为蔗糖、葡萄糖、淀粉中的一种或几种。
一种磷酸铁锂复合材料,其中,采用如上任一所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法制备而成。
有益效果:本发明原料来源低价,制备过程能耗低,而且粒度均匀,极化内阻小,有更好的倍率性能和循环性能。
具体实施方式
本发明提供一种磷酸铁锂复合材料及其制备方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供一种磷酸铁锂复合材料的制备方法,其中,包括步骤:
A、先将FePO4浸入稀酸液中处理后,然后加入到高镁锂比天然卤水锂中,使FePO4通过离子交换吸附高镁锂比天然卤水锂中的锂,同时富集高镁锂比天然卤水锂中的镁离子。
B、然后补加锂盐,调配锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,最后通过烧结得到磷酸铁锂复合材料。
本发明利用天然的高镁锂比天然卤水锂资源作为锂源,降低了精制锂盐的使用量,材料合成成本降低。本发明原料来源低价,制备过程能耗低,而且粒度均匀,原位包覆后极化内阻小,有更好的倍率性能和循环性能。
优选地,步骤A中,所述高镁锂比天然卤水锂为通过硼砂-盐酸缓冲液调节pH值后的高镁锂比天然卤水锂。本发明通过硼砂-盐酸缓冲液调节pH值,可以合理控制镁的组分含量,制备锂位掺镁的磷酸铁锂复合材料,形成有利于晶体内部锂离子扩散迁移的锂空位,增加了材料的空穴浓度,提升充放电速率。
优选地,步骤A中,所述稀酸可以为但不限于稀盐酸、稀硝酸、稀硫酸、稀氢氟酸中的一种。
优选地,步骤B具体为:补加锂盐,调配锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,惰性气氛中烧结得到Li1-xMgxFePO4前驱体,其中,x≤0.05,然后Li1-xMgxFePO4前驱体与有机碳源混合,二次烧结得到原位包碳的磷酸铁锂复合材料。本发明使用有机碳源对锂位掺镁的磷酸铁锂原位碳包覆,不仅提高了磷酸铁锂的导电性能,而且进一步防止颗粒团聚,优化粒度分布。优选地,本发明所述有机碳源为蔗糖、葡萄糖、淀粉中的一种或几种,该有机碳源可以较好的实现锂位掺镁的磷酸铁锂原位碳包覆。
优选地,Li1-xMgxFePO4中,x=0.03,以提高磷酸铁锂复合材料的性能。优选地,二次烧结的烧结温度为650℃,烧结时间为15h,在该条件下烧结制得的磷酸铁锂复合材料具有更高的导电性能。
优选地,本发明所述锂盐可以为但不限于碳酸锂、氢氧化锂、硝酸锂中的一种或几种。
具体地,本发明磷酸铁锂复合材料的制备方法包括步骤如下:
步骤S1:将一定量的FePO4粉体置于0.01-0.1M的稀酸溶液中处理6-8h,过滤,备用;
步骤S2: 高镁锂比天然卤水锂经0.05-0.1M硼砂-盐酸缓冲液调至pH为8.0-9.0,将S1中备好的FePO4粉体置于带盖容器中,注入调配好pH值的高镁锂比天然卤水锂,合好盖子,震荡4-12h;
步骤S3:过滤、洗涤、100-150℃烘干2-6h,测试粉体中的锂、镁含量;
步骤S4:根据S3中的锂、镁含量,称取锂盐,使锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,将锂盐添加至步骤S3得到的粉体中,得到混合料;
步骤S5:将S4的混合料球磨2-4h,混合均匀;
步骤S6:将S5中混合均匀后的混合料置于马弗炉中,300-400℃惰性气氛下烧结4-8h,得到磷酸铁锂前驱体;
步骤S7: 将步骤S6中的磷酸铁锂前驱体与有机碳源混合,550-700℃惰性气氛下烧结处理10-24h,得到原位包碳的磷酸铁锂复合材料。
本发明上述制备方法具有如下优势:
1)、以高镁锂比天然卤水锂直接作为锂源,降低了精制锂盐的使用量,材料合成成本降低。
2)、利用离子交换点的空间控制对锂、镁离子选择吸附,通过离子交换法使原料原子级均匀分布,有利于物相合成过程中离子间的传质。
3)、通过硼砂-盐酸缓冲液调配pH值合理控制镁的组分含量,制备锂位掺镁的磷酸铁锂。
4)、使用有机碳源对锂位掺镁的磷酸铁锂原位碳包覆,不仅提高了磷酸铁锂的导电性能,而且进一步防止颗粒团聚,优化粒度分布。
本发明还提供一种磷酸铁锂复合材料,其中,采用如上任一所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法制备而成。本发明磷酸铁锂复合材料的粒度均匀,极化内阻小,有更好的倍率性能和循环性能。
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
取1L含锂量为1100mg/L的高镁锂比天然卤水锂,其中镁锂质量比为45.32,经0.05M硼砂-盐酸缓冲液调至pH为8.0。称取151g FePO4粉体置于0.01M的稀盐酸溶液中处理6h,过滤后置于带盖容器中,注入调配好pH值的高镁锂比天然卤水锂,合好盖子,震荡10h,过滤、洗涤、100℃烘干6h后,测得FePO4的锂离子的交换率为26.7mg/g,镁离子的交换率为1.59mg/g。根据测得的锂、镁量,补充15.32g碳酸锂,使得锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,混匀后,于氮气气氛中300℃烧结8h,得到掺杂型磷酸铁锂材料Li0.99Mg0.01FePO4前驱体。将上述Li0.99Mg0.01FePO4前驱体与有机碳源蔗糖混合,球磨3h,混合均匀后,于氮气气氛中550℃烧结24h,得到原位包覆碳的磷酸铁锂负极材料。粉体D50为2.8µm,粒度分布径距为1.4。
将上述磷酸铁锂负极材料、导电碳、粘结剂按照92:4:4的质量比混匀后涂覆在铝箔上制备极片,以锂为对电极组装半电池,电解液为1mol/L的LiFPF6/DC+EC+DMC。电性能测试结果为:0.1C首次容量151.3mAh/g,循环100次后容量135mAh/g,容量保持率为89.2%;1C容量133mAh/g。
实施例2
取1L含锂量为500mg/L的高镁锂比天然卤水锂,其中镁锂质量比为36,经0.08M硼砂-盐酸缓冲液调至pH为8.5。称取151g FePO4粉体置于0.05M的稀硫酸溶液中处理6h,过滤后置于带盖容器中,注入调配好pH值的高镁锂比天然卤水锂,合好盖子,震荡12h,过滤、洗涤、120℃烘干4h后,测得FePO4对锂离子交换率为23.4mg/g,对镁离子交换率为3.18mg/g。根据已含锂、镁量,补充11.4g氢氧化锂,使得锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,混匀后,于氩气气氛中350℃烧结6h,得到掺杂型磷酸铁锂材料Li0.98Mg0.02FePO4前驱体。将上述Li0.98Mg0.02FePO4前驱体与有机碳源葡萄糖混合,球磨3h,混合均匀后,于氩气气氛中650℃烧结20h ,得到原位包覆碳的磷酸铁锂负极材料。粉体D50为3.2µm,粒度分布径距为1.7。
将上述磷酸铁锂负极材料、导电碳、粘结剂按照92:4:4的质量比混匀后涂覆在铝箔上制备极片,以锂为对电极组装半电池,电解液为1mol/L的LiFPF6/DC+EC+DMC。电性能测试结果为:0.1C首次容量157.3mAh/g,循环100次后容量149.1mAh/g,容量保持率为94.8%;1C容量137.2mAh/g。
实施例3
取1L含锂量为1500mg/L的高镁锂比天然卤水锂,其中镁锂质量比为51.3,经0.08M硼砂-盐酸缓冲液调至pH为8.5。称取151g FePO4粉体置于0.05M的稀硝酸溶液中处理8h,过滤后置于带盖容器中,注入调配好pH值的高镁锂比天然卤水锂,合好盖子,震荡4h,过滤、洗涤、150℃烘干2h后,FePO4对锂离子交换率为21.9mg/g,对镁离子交换率为4.77mg/g。根据已含锂、镁量,补充34.35g硝酸锂,使得锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,混匀后,于氮气气氛中350℃烧结4h,得到掺杂型磷酸铁锂材料Li0.97Mg0.03FePO4前驱体。将上述Li0.97Mg0.03FePO4前驱体与有机碳源蔗糖混合,球磨3h,混合均匀后,于氮气气氛中650℃烧结15h ,得到原位包覆碳的磷酸铁锂负极材料。粉体D50为2.9µm,粒度分布径距为1.6。
将上述磷酸铁锂负极材料、导电碳、粘结剂按照92:4:4的质量比混匀后涂覆在铝箔上制备极片,以锂为对电极组装半电池,电解液为1mol/L的LiFPF6/DC+EC+DMC。电性能测试结果为:0.1C首次容量159.5mAh/g,循环100次后容量150.9mAh/g,容量保持率为94.9%;1C容量146.1mAh/g。
实施例4
取1L含锂量为1500mg/L的高镁锂比天然卤水锂,其中镁锂质量比为51.3,经0.1M硼砂-盐酸缓冲液调至PH为9.0。称取151g FePO4粉体置于0.1M的稀氢氟酸溶液中处理6h,过滤后置于带盖容器中,注入调配好pH值的高镁锂比天然卤水锂,合好盖子,震荡4h,过滤、洗涤、150℃烘干2h后,FePO4对锂离子交换率为18.6mg/g,对镁离子交换率为7.95mg/g。根据已含锂、镁量,补充20.3g碳酸锂,使得锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,混匀后,于氮气气氛中400℃烧结4h,得到掺杂型磷酸铁锂材料Li0.95Mg0.05FePO4前驱体。将上述Li0.95Mg0.05FePO4前驱体与有机碳源淀粉混合,球磨3h,混合均匀后,于氮气气氛中700℃烧结10h ,得到原位包覆碳的磷酸铁锂负极材料。粉体D50为3.9µm,粒度分布径距为2.1。
将上述磷酸铁锂负极材料、导电碳、粘结剂按照92:4:4的质量比混匀后涂覆在铝箔上制备极片,以锂为对电极组装半电池,电解液为1mol/L的LiFPF6/DC+EC+DMC。电性能测试结果为:0.1C首次容量154.3mAh/g,循环100次后容量142.4mAh/g,容量保持率为92.3%;1C容量137.3mAh/g。
对比例1
按照锂:镁:铁摩尔比为0.97:0.03:1分别称取151g FePO4粉末、35.89g碳酸锂、4.44g硝酸镁,球磨混匀,于氮气气氛中350℃烧结4h,得到掺杂型磷酸铁锂材料Li0.97Mg0.03FePO4前驱体。将上述Li0.97Mg0.03FePO4前驱体与有机碳源蔗糖混合,球磨3h,混合均匀后,于氮气气氛中750℃烧结20h ,得到原位包覆碳的磷酸铁锂负极材料。粉体D50为6.3µm,粒度分布径距为3.7。
将上述磷酸铁锂负极材料、导电碳、粘结剂按照92:4:4的质量比混匀后涂覆在铝箔上制备极片,以锂为对电极组装半电池,电解液为1mol/L的LiFPF6/DC+EC+DMC。电性能测试结果为:0.1C首次容量156.4mAh/g,循环100次后容量142.7mAh/g,容量保持率为91.2%;1C容量129.2mAh/g。
综上所述,本发明提供的一种磷酸铁锂复合材料及其制备方法,本发明制备方法具有如下优势:1)综合利用天然的卤水锂资源作为锂源,降低了精制锂盐的使用量,材料合成成本降低。2)离子交换法使锂源、铁源在原子级别上均匀分布,易通过短程扩散实现晶格矩阵的重排,合成过程能耗低,表现为较低的合成温度、较短的合成时间;粒度分布均匀,减小极化,提升电池倍率性能。3)通过硼砂-盐酸缓冲液调配pH值合理控制镁的组分含量,制备锂位掺镁的磷酸铁锂,形成有利于晶体内部锂离子扩散迁移的锂空位,增加了材料的空穴浓度,提升充放电速率。4)从经济和环境保护考虑比其他方案有更大的优越性,特别是从高镁锂比液态卤水锂资源中提锂合成复合型电池材料具有实际意义。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种磷酸铁锂复合材料的制备方法,其特征在于,包括步骤:
A、先将FePO4浸入稀酸液中处理后,然后加入到高镁锂比天然卤水锂中,使FePO4通过离子交换吸附高镁锂比天然卤水锂中的锂,同时富集高镁锂比天然卤水锂中的镁离子;
B、然后补加锂盐,调配锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,最后通过烧结得到磷酸铁锂复合材料;
所述高镁锂比天然卤水锂为通过硼砂-盐酸缓冲液调节pH值后的高镁锂比天然卤水锂;
所述高镁锂比天然卤水锂经0.05-0.1M硼砂-盐酸缓冲液调至pH为8.0-9.0。
2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其特征在于,步骤A中,所述稀酸为稀盐酸、稀硝酸、稀硫酸、稀氢氟酸中的一种。
3.根据权利要求1所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其特征在于,步骤B具体为:补加锂盐,调配锂与镁摩尔量:铁摩尔比为1:1,惰性气氛中烧结得到Li1-xMgxFePO4前驱体,其中,x≤0.05,然后Li1-xMgxFePO4前驱体与有机碳源混合,二次烧结得到原位包碳的磷酸铁锂复合材料。
4.根据权利要求1或3所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其特征在于,所述锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、硝酸锂中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其特征在于,二次烧结的烧结温度为650℃,烧结时间为15h。
6.根据权利要求3所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其特征在于,x=0.03。
7.根据权利要求3所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法,其特征在于,所述有机碳源为蔗糖、葡萄糖、淀粉中的一种或几种。
8.一种磷酸铁锂复合材料,其特征在于,采用如权利要求1~7任一所述的磷酸铁锂复合材料的制备方法制备而成。
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Date of cancellation: 20220703 Granted publication date: 20181109 |