CN106532108A - 具有多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米材料合成技术领域，具体为一种多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球及其制备方法。本发明采用碳酸锂、磷酸二氢铵、草酸亚铁和碳纳米管为原料，通过球磨、烧结、喷雾干燥等工艺，制备得多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球。多孔结构有利于促进电解液向电极材料中的扩散，使电极材料的储锂更为高效；同时，多孔结构可扩大电极材料与电解液的有效接触面积，缩短锂离子的传输路径，有利于电化学性能的提升；碳纳米管的加入提高了材料的导电性，有利于提升材料的循环稳定性、可逆容量以及倍率性能。基于该复合微球材料的优良电化学性能，可作为锂离子电池正极活性材料。本发明制备工艺简单、周期短、效率高、成本低，适合于大规模工业化生产。

Description

具有多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料合成技术领域，具体涉及一种多孔结构磷酸铁锂/碳纳米管复合微球及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、转化效率高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、环境友好等特点，在便携式电子器件和电动车辆领域被广泛应用。正极材料作为锂离子电池的核心组成部分，极大的影响了锂离子电池的性能，是锂离子电池技术不断向前更新发展的决定性因素[1]。磷酸铁锂（LiFePO4）是新一代的锂离子电池正极材料，具有热稳定性好、可逆容量高、循环性能稳定、成本低、环境友好等优点[2-4]。然而，能量密度低、振实密度小、电导率低、锂离子扩散速率低、倍率性能差等缺点限制了磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料的发展和应用[5-7]。
多孔结构可有效提升材料的比表面积，缓解电极材料在充放电过程中的体积变化，进而可以促进电解液向电极材料中的扩散，缩短锂离子的传输路径，使电极材料的储锂更为高效[8]。碳掺杂可有效改善材料的导电性，提高材料在充放电过程中的电子迁移率，有利于可逆容量和倍率性能的提升[9]。因此，引入多孔结构并进行碳掺杂是提升磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料的电化学性能的有效方法。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种能量密度高、电导率高、锂离子扩散速率高的锂离子电池理想的正极材料--多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球及其制备方法。
本发明采用碳酸锂（Li2CO3）、磷酸二氢铵（NH4H2PO4）、草酸亚铁（FeC2O4）和碳纳米管（CNTS）为原料，先后通过球磨、烧结、喷雾干燥等工艺，成功制备得多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球。该多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球，由纳米小颗粒堆积组装而成。微球粒径分布较为均匀，球体间分散性好，无明显的团聚现象。纳米小颗粒的堆积使材料具有多孔结构，孔隙均匀分布在微球球体中，可有效提升材料的比表面积，缩短锂离子的传输路径，缓解材料在充放电过程中的体积变化。同时，碳纳米管均匀散布在微球球体中，形成了导电网络，可有效提升材料的导电率。该方法重复性好、合成工艺简单、生产成本较低，适合大规模工业化生产。
本发明提供的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的制备方法，具体步骤如下：
（1）球磨：
分别称取8.4±0.1 g的碳酸锂、26.0±0.1 g的磷酸二氢铵、40.6±0.1 g的草酸亚铁和7.5±0.1 g的碳纳米管，量取230±5 mL的乙醇，并倒入球磨罐中。再向球磨罐中加入400g的球磨子（球和料加起来不能超过球磨罐容积的三分之二），以350±100 r/min的速度球磨10±2 h，得到分散性良好的悬浊液，并将悬浊液在80℃的真空干燥箱中充分干燥，得到前驱体粉末；
（2）烧结：
在充满Ar2气氛的管式炉中，将步骤(1)中得到的前驱体粉末以4~6℃/min的升温速率将温度从室温升至350±50℃，保温4±1 h后，再以4~6℃/min的升温速率将温度升至650±50℃并保温7±1 h，之后自然冷却至室温，得到磷酸铁锂/碳纳米管的无定形复合物；
（3）喷雾干燥：
将步骤(2)中得到的磷酸铁锂/碳纳米管无定形复合物进行喷雾干燥处理，蠕动泵速度为25±10 rpm，喷嘴直径为1±0.3 mm，进风温度为100±20℃，通针为5±1次/min，风机速度为23±5 m3/h。喷出的粉末即为多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球。
本发明制备的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球，具有优异的电化学性能，可作为锂离子电池理想的正极活性材料。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明加入了碳纳米管。经过球磨与煅烧过程，碳纳米管与磷酸铁锂纳米小颗粒形成分布均匀的混合物。经喷雾干燥步骤形成微米球后，碳纳米管均匀分布在微米球内，形成导电网络，有效提高了材料的导电率；
2、多孔结构的形成。经过煅烧后形成的磷酸铁锂纳米小颗粒尺寸为100~300 nm，经过喷雾干躁过程后，纳米小颗粒堆叠组装形成微米球。颗粒间的堆叠形成了分布均匀的孔隙，孔径为30~60 nm，可有效增大材料的比表面积，缩短锂离子的传输路径，缓解材料在充放电过程中的体积变化，使电极材料的储锂更为高效；
3、所合成的复合微球分布均匀，直径大小为3~10 μm，无明显的团聚现象；
4、所合成的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球可作为理想的锂离子电池正极材料。在0.2 C 的电流密度下，首次放电比容量高达219 mAh g-1。经过200次充放电循环后，放电比容量仍然维持在175 mAh g-1；
5、该方法重复性好、合成工艺简单、生产成本较低，适合大规模工业化生产要求。
图1是本发明合成的终产物多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的X-射线衍射（XRD）图谱，表明所合成的产物为正交晶系的橄榄石型磷酸铁锂。热重(TGA)测试表明所合成的产物中碳纳米管的含量为8 %~10 %（质量比），较少的碳含量导致XRD图谱中没有出现碳的特征峰。
图2为所合成的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球在较低放大倍率下的扫面电镜（SEM）图片，表明了复合微球的成功制备。从图2中可以看出，微球大小较为均匀，直径为3~10 μm，球体间无明显的团聚现象。图3为单个微球的SEM图片。图4是微球表面的放大扫描图片，进一步表明了微球是由粒径为100~300 nm的纳米颗粒堆积组装而成，且孔隙和分布在微球球体中的碳纳米管清晰可见。
图5为所合成的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的孔径分布图，从图中可以看出，微球孔隙的尺寸为30~60 nm。
图6为所合成的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球在0.2 C的电流密度下的循环性能图。所合成的复合微球首次放电比容量高达219 mAh g-1。经过200次充放电循环后，放电比容量仍能维持在175 mAh g-1。复合微球的倍率性能图如图7所示，表明了其在较大的电流密度下仍能维持较高的可逆容量和良好的循环稳定性。
本发明合成的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球具有多孔结构，可有效增大材料的比表面积，缩短锂离子的传输路径，缓解材料在充放电过程中的体积变化。同时，碳纳米管均匀分布在微米球内，形成导电网络，有效提高了材料的导电率。本发明的合成方法较为简单，制备周期短，可适用于大规模的工业化生产。
附图说明
图1是磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的X射线衍射谱图。
图2是磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的低倍率扫描电镜图片。
图3是磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的单个微球的扫描电镜图片。
图4是磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的球体表面的扫描电镜图片。
图5是磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的孔径分布图。
图6是磷酸铁锂/碳纳米管复合微球在0.2 C电流密度下的循环性能图。
图7是磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的倍率性能图。
具体实施方式
实施例1：
分别称取8.3 g的碳酸锂、25.9 g的磷酸二氢铵、40.5 g的草酸亚铁和7.6 g的碳纳米管，量取230 mL的乙醇，并倒入到球磨罐中。再向球磨罐中加入400 g的球磨子（球和料加起来不能超过球磨罐容积的三分之二），以450 r/min的速度球磨12 h，得到分散性良好的悬浊液，并将悬浊液在80℃的真空干燥箱中充分干燥，得到前驱体粉末。在充满Ar2气氛的管式炉中，将所得到的前驱体粉末以5℃ /min的升温速率将温度从室温升至350℃，保温4 h后，再以5℃/min的升温速率将温度升至650℃并保温7 h，之后自然冷却至室温，得到磷酸铁锂/碳纳米管的无定形复合物。将该无定形复合物进行喷雾干燥处理，蠕动泵速度为15rpm，喷嘴直径为1 mm，进风温度为100℃，通针为5次/min，风机速度为23 m3/h。喷出的粉末即为多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球。该方案得到的复合微球含碳量为9.8 %（质量比）。
实施例2：
分别称取8.4 g的碳酸锂、26.0 g的磷酸二氢铵、40.6 g的草酸亚铁和7.5 g的碳纳米管，量取235 mL的乙醇，并倒入到球磨罐中。再向球磨罐中加入400 g的球磨子（球和料加起来不能超过球磨罐容积的三分之二），以350 r/min的速度球磨10 h，得到分散性良好的悬浊液，并将悬浊液在80℃的真空干燥箱中充分干燥，得到前驱体粉末。在充满Ar2气氛的管式炉中，将所得到的前驱体粉末以5℃ /min的升温速率将温度从室温升至350℃，保温3 h后，再以5℃/min的升温速率将温度升至650℃并保温6 h，之后自然冷却至室温，得到磷酸铁锂/碳纳米管的无定形复合物。将该无定形复合物进行喷雾干燥处理，蠕动泵速度为25rpm，喷嘴直径为1 mm，进风温度为100℃，通针为5次/min，风机速度为23 m3/h。喷出的粉末即为多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球。该方案得到的复合微球含碳量为9.1 %（质量比）。
实施例3：
分别称取8.5 g的碳酸锂、26.1 g的磷酸二氢铵、40.7 g的草酸亚铁和7.4 g的碳纳米管，量取225 mL的乙醇，并倒入到球磨罐中。再向球磨罐中加入400 g的球磨子（球和料加起来不能超过球磨罐容积的三分之二），以250 r/min的速度球磨8 h，得到分散性良好的悬浊液，并将悬浊液在80℃的真空干燥箱中充分干燥，得到前驱体粉末。在充满Ar2气氛的管式炉中，将所得到的前驱体粉末以5℃ /min的升温速率将温度从室温升至350℃，保温5 h后，再以5℃/min的升温速率将温度升至650℃并保温8 h，之后自然冷却至室温，得到磷酸铁锂/碳纳米管的无定形复合物。将该无定形复合物进行喷雾干燥处理，蠕动泵速度为35rpm，喷嘴直径为1 mm，进风温度为100℃，通针为5次/min，风机速度为23 m3/h。喷出的粉末即为多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球。该方案得到的复合微球含碳量为8.5 %（质量比）。
多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的物相是通过X-射线粉末衍射仪(Bruker D8 X-ray diffractometer (Germany) with Ni-filtere Cu KR radiation)测得的，形貌结构是将样品粉末粘贴在扫描电子显微镜（SEM, Hitachi FE-SEM S-4800operated）上进行表征的，孔径是通过比表面-孔径测试仪(Quadrasorb SI AutomatedSurface Area and Pore Size Analyzer)测得的，碳纳米管的含量是通过热重测试仪(DTG-60H)测得的。
正极极片制备过程：将活性物质（所制得的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球）、乙炔黑、粘结剂（聚偏氟乙烯）按照8:1:1的质量比均匀混合，加入溶剂（N-甲基吡咯烷酮）调成糊状，均匀涂覆在铝箔上，于80℃真空干燥箱中干燥8 h。用打孔器取下直径为12 mm的圆片，备用。
扣式电池的组装及测试：所装配的扣式电池型号为CR 2016，组装过程在氩气气氛的手套箱中进行。电池组装过程中，所用到的对电极为金属锂片，电解液为以体积比1:1的磷酸亚乙酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）为溶剂的1 mol L-1的六氟磷酸锂（LiPF6）溶液，隔膜为Celgard 2400微孔聚丙烯膜。具体操作步骤为：将电极片、隔膜、吸液纸、金属锂片依次放入负极壳中，加入适量的电解液，最后盖上正极壳。从手套箱中取出组装好的电池，用封口机快速将电池压实。装配好的扣式电池在LAND测试系统上进行充放电测试,电压范围为2.0~4.0 V, 测试温度为25℃。
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Claims (3)

1.一种多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）球磨：
分别称取8.4±0.1 g的碳酸锂、26.0±0.1 g的磷酸二氢铵、40.6±0.1 g的草酸亚铁和7.5±0.1 g的碳纳米管，量取230±5 mL的乙醇，并倒入球磨罐中；再向球磨罐中加入400g的球磨子，以350±100 r/min的速度球磨10±2 h，得到分散性良好的悬浊液，并将悬浊液在80℃的真空干燥箱中充分干燥，得到前驱体粉末；
（2）烧结：
在充满Ar2气氛的管式炉中，将步骤(1)中得到的前驱体粉末以4~6℃/min的升温速率将温度从室温升至350±50℃，保温4±1 h后，再以4~6 ℃/min的升温速率将温度升至650±50 ℃并保温7±1 h，之后自然冷却至室温，得到磷酸铁锂/碳纳米管的无定形复合物；
（3）喷雾干燥：
将步骤(2)中得到的磷酸铁锂/碳纳米管无定形复合物进行喷雾干燥处理，所用蠕动泵速度为25±10 rpm，喷嘴直径为1±0.3 mm，进风温度为100±20℃，通针为5±1次/min，所用风机速度为23±5 m3/h；喷出的粉末即为多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球。
2. 由权利要求1所述方法制得的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球，微球直径大小为3~10 μm，球体分布均匀，无明显团聚现象；微球由尺寸为100~300 nm的纳米小颗粒堆积组装而成，纳米小颗粒的堆积使材料具有多孔结构；碳纳米管均匀分散在纳米小颗粒间，形成良好的导电网络。
3.如权利要求2所述的多孔结构的磷酸铁锂/碳纳米管复合微球作为锂离子电池理想的正极活性材料的应用。
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