CN106711425A - 改性磷酸铁锂及其制备方法和应用以及正极材料和锂离子电池 - Google Patents

改性磷酸铁锂及其制备方法和应用以及正极材料和锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料领域，具体公开了一种改性磷酸铁锂及其制备方法和应用以及正极材料和锂离子电池；改性磷酸铁锂及其制备方法包括：将磷酸铁锂、所述含氮石墨烯和有机溶剂混合，干燥后进行第一热处理，得到改性磷酸铁锂；本发明的改性磷酸铁锂作为电池材料能够解决电池在大倍率电流条件下不能快速充放电以及在低温环境中不能有效放电的问题。

Description

改性磷酸铁锂及其制备方法和应用以及正极材料和锂离子 电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体地，涉及改性磷酸铁锂及其制备方法和应用以及正极材料和锂离子电池。
背景技术
随着“十三五”国家战略性新兴产业发展规划中再次明确了新能源汽车、新能源和节能环保等绿色低碳产业的战略地位，我国动力电池领域将持续得到巨大的发展，其中磷酸铁锂锂离子电池以其优异的循环性、安全性且绿色环保而受到广泛应用。但传统的磷酸铁锂因其较低的离子迁移率和电子电导率，渐渐不能满足新能源汽车动力电池使用要求，主要体现在：1、大倍率充放电性能较差，锂离子电池在大倍率充放电时，电池内部极化增加，内阻增大，温升较快，严重时甚至发生短路，存在较大的安全隐患。2、低温放电性能差，相比于常温及高温环境，低温环境下，磷酸铁锂电池的离子迁移率和导电率随数量级的趋势下降，导致电池放电电压平台的下降，造成电池容量的减小甚至于放不出电。如何实现磷酸铁锂锂离子电池在大倍率电流情况下快速充放电以及低温环境下有效放电以成为当前技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种改性磷酸铁锂，使用本发明的改性磷酸铁锂作为电池材料能够解决电池在大倍率电流条件下不能快速充放电以及在低温环境中不能有效放电的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种改性磷酸铁锂的制备方法，该方法包括：
将磷酸铁锂、含氮石墨烯和有机溶剂混合，干燥后进行第一热处理，得到改性磷酸铁锂。
本发明还提供了一种由上述的方法得到的改性磷酸铁锂。
本发明还提供了上述改性磷酸铁锂在作为电池材料中的应用。
本发明还提供了一种正极材料，所述正极材料包括：正极活性物质，正极活性物质包括上的改性磷酸铁锂。
本发明还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液；所述正极材料为上述的正极材料；所述正极材料还包括聚偏氟乙烯和导电剂；所述负极材料包括石墨、丁苯橡胶、导电剂和羧甲基纤维素钠。
通过上述技术方案，本发明提供了一种改性磷酸铁锂及其制备方法和应用，所述制备方法包括：将磷酸铁锂、所述含氮石墨烯和有机溶剂混合，干燥后进行第一热处理，得到改性磷酸铁锂；得到的改性磷酸铁锂具备较高的离子迁移率和电子电导率，同时，将制得的改性磷酸铁锂作为电池材料可以提高电池的充放电性能，减少电池内部的极化；将制得的改性磷酸铁锂作为正极材料可以使得电池在大倍率电流下快速充放电，在低温环境下也能保持优良的充放电性能；特别的，将制得的正极材料应用在锂离子电池中，由于改性磷酸铁锂较高的离子迁移率和电子电导率，使得锂离子电池在大倍率电流下快速充放电，在低温环境下也能有效的放电，大大提高了锂离子电池的性能，充分发挥锂离子电池的优势。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是按照本发明实施例1的方法制备的锂离子电池8C倍率充放电曲线；
图2是按照本发明实施例1的方法制备的锂离子电池1C倍率下充电5C倍率下放电循环性能曲线；
图3是按照本发明实施例1的方法制备的锂离子电池在-20℃温度下5C低温倍率放电曲线。
附图说明
1-放电曲线 2-充电曲线
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种改性磷酸铁锂，该方法包括：
将磷酸铁锂、所述含氮石墨烯和有机溶剂混合，干燥后进行第一热处理，得到改性磷酸铁锂。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了提高制得的改性磷酸铁锂的离子迁移率和电子电导率，含氮石墨烯的制备步骤包括：将氧化石墨烯和尿素混合搅拌、可选的进行干燥，然后进行第二热处理，得到含氮石墨烯。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了提高制得的改性磷酸铁锂的离子迁移率和电子电导率，第一热处理和第二热处理的条件各自包括：温度为500-900℃。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了合理控制热处理的时间，进一步增加改性磷酸铁锂的离子迁移率和电子电导率，第一热处理和第二热处理的时间为1-2.5h。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了进一步增加改性磷酸铁锂的性能，使得其应用于电池材料中能提高电池的充放电性能和低温放电性能，优选氧化石墨烯与尿素按摩尔比为1：1-1.5的比例进行混合，含氮石墨烯与磷酸铁锂按质量比为1：5-20进行混合。
根据本发明，所述有机溶剂的种类的可选范围较宽，能够使氧化石墨烯和尿素混合为均相且不发生化学反应的有机溶剂均可以用于本发明，例如为乙二醇、乙醇和丙二醇中的一种或多种。
本发明还提供了一种由上述的方法得到的改性磷酸铁锂，其中，优选所述改性磷酸铁锂的D50为2-5μm，其比表面积为15-25m2/g；得到的改性磷酸铁锂具备较小的中位径和比表面积，使得改性磷酸铁锂具备较高的离子迁移率和电子电导率。
本发明还提供了上述的改性磷酸铁锂在作为电池材料中的应用；将制得的改性磷酸铁锂作为电池材料可以提高电池的充放电性能，减少电池内部的极化。
本发明还提供了一种正极材料，所述正极材料包括：正极活性物质，正极活性物质包括上述的改性磷酸铁锂；将制得的改性磷酸铁锂作为正极材料可以使得电池在大倍率电流下快速充放电，在低温环境下也能保持优良的充放电性能。
在本发明的一种优选的实施方式中，为了进一步发挥正极材料的充放电优势，所述正极活性物质中80重量％以上为上述的改性磷酸铁锂。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述正极材料包括：正极活性物质、粘接剂和导电剂；所述粘接剂可以为聚偏氟乙烯、丁苯橡胶等本领域人员常用的电池用粘接剂，导电剂可以依据现有技术进行选择，针对本发明，优选为碳黑、导电石墨、乙炔黑、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种或多种。
本发明还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液；所述正极材料为上述的正极材料。
根据本发明的一种优选实施方式，所述正极材料还包括聚偏氟乙烯和导电剂。
根据本发明的一种优选实施方式，所述负极材料包括石墨、丁苯橡胶、导电剂和羧甲基纤维素钠；其中，导电剂例如可以为碳黑、导电石墨、乙炔黑、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种或多种，隔膜例如可以为纤维素隔膜、聚烯烃类陶瓷薄膜或聚酯无纺布陶瓷隔膜中的一种。
根据本发明的一种优选实施方式，上述锂离子电池中，电解液的组成成分包括：浓度为1-1.15mol/L六氟磷酸锂、25-35重量％的碳酸乙烯酯、25-35重量％的碳酸二乙酯、25-35重量％的碳酸甲乙酯、0.5-2.5重量％氯化钠、0.5-2.5重量％的碳酸锂和0.5-2.5重量％有机添加剂。
为了进一步提高制得的锂离子电池的性能，相对于100重量份的正极材料，所述改性磷酸铁锂的用量为92-97重量份，所述聚偏氟乙烯的用量为1.5-4重量份，所述导电剂的用量为1.5-4重量份；相对于100重量份的负极材料，所述石墨的用量为91-96重量份，所述丁苯橡胶的用量为2-4重量份，所述导电剂的用量为1-3重量份，所述羧甲基纤维素钠的用量为1-2重量份。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例1-3中，电解液的组成成分包括：浓度为1.1mol/L六氟磷酸锂、30重量％的碳酸乙烯酯、30重量％的碳酸二乙酯、30重量％的碳酸甲乙酯、1.5重量％氯化钠、1.5重量％的碳酸锂和1.5重量％有机添加剂；以下实施例中，聚偏氟乙烯为苏州德诗科塑化有限公司提供的牌号为1008的市售品。
实施例1
将氧化石墨烯和尿素混合搅拌(氧化石墨烯与尿素的摩尔比为1：1.2)、进行干燥，然后进行第二热处理(温度为700℃，时间为1.5h)，得到含氮石墨烯；将磷酸铁锂、所述含氮石墨烯和乙二醇混合(含氮石墨烯与磷酸铁锂按质量比为1：10进行混合)，干燥后进行第一热处理(温度为700℃，时间为1.5h)，得到改性磷酸铁锂(得到的改性磷酸铁锂的D50为3.2μm，其比表面积为20m2/g)；
利用上述改性磷酸铁锂制得的锂离子电池，该电池包括正极材料、负极材料、纤维素隔膜和电解液，该电池的正极材料包括改性磷酸铁锂，聚偏氟乙烯和碳黑，该电池的负极材料包括石墨、丁苯橡胶、导电石墨和羧甲基纤维素钠；其中，正极材料的用量为100g(其中，改性磷酸铁锂的用量为95g，聚偏氟乙烯的用量为2.5g，碳黑的用量为2.5g)；负极材料的用量为100g(其中，所述石墨的用量为93g，所述丁苯橡胶的用量为3g，所述导电石墨的用量为2g，所述羧甲基纤维素钠的用量为2g)。上述锂离子电池的制备采用现有技术进行制备，并对制得的锂离子电池进行性能测试，其结果见图1-3。
实施例2
将氧化石墨烯和尿素混合搅拌(氧化石墨烯与尿素的摩尔比为1：1)、可选的进行干燥，然后进行第二热处理(温度为500℃，时间为1h)，得到含氮石墨烯；将磷酸铁锂、所述含氮石墨烯和乙二醇混合(含氮石墨烯与磷酸铁锂按质量比为1：5进行混合)，干燥后进行第一热处理(温度为500℃，时间为1h)，得到改性磷酸铁锂(得到的改性磷酸铁锂的D50为2μm，其比表面积为15m2/g)；
利用上述改性磷酸铁锂制得的锂离子电池，该电池包括正极材料、负极材料、聚烯烃类陶瓷薄膜和电解液，该电池的正极材料包括改性磷酸铁锂，聚偏氟乙烯和碳黑，该电池的负极包括石墨、丁苯橡胶、导电石墨和羧甲基纤维素钠；其中，正极材料的用量为100g(其中，所述改性磷酸铁锂的用量为92g，所述聚偏氟乙烯的用量为4g，所述碳黑的用量为4g)；负极材料的用量为100g(其中，所述石墨的用量为91g，所述丁苯橡胶的用量为4g，所述导电石墨的用量为3g，所述羧甲基纤维素钠的用量为2g)。上述锂离子电池的制备采用现有技术进行制备。
实施例3
将氧化石墨烯和尿素混合搅拌(氧化石墨烯与尿素的摩尔比为1：1.5)、可选的进行干燥，然后进行第二热处理(温度为900℃，时间为2.5h)，得到含氮石墨烯；将磷酸铁锂、所述含氮石墨烯和乙二醇混合(含氮石墨烯与磷酸铁锂按质量比为1：20进行混合)，干燥后进行第一热处理(温度为900℃，时间为2.5h)，得到改性磷酸铁锂(得到的改性磷酸铁锂的D50为5μm，其比表面积为25m2/g)；
利用上述改性磷酸铁锂制得的锂离子电池，该电池包括正极材料、负极材料、聚酯无纺布陶瓷隔膜和电解液，该电池的正极材料包括改性磷酸铁锂，聚偏氟乙烯和碳黑，该电池的负极包括石墨、丁苯橡胶、导电石墨和羧甲基纤维素钠；其中，正极材料的用量为100g(其中，所述改性磷酸铁锂的用量为97g，所述聚偏氟乙烯的用量为1.5g，所述碳黑的用量为1.5g)；负极材料的用量为100g(其中，所述石墨的用量为96g，所述丁苯橡胶的用量为2g，所述导电石墨的用量为1g，所述羧甲基纤维素钠的用量为1g)。上述锂离子电池的制备采用现有技术进行制备。
实施例4
按照实施例1的方法进行，不同的是，其中电解液为本领域人员常用的电池电解液，其具体成分为：相对于1L的电解液，六氟磷酸锂的浓度为0.8mol/L，10重量％碳酸丙烯酯、15％碳酸乙烯酯和25％碳酸二乙酯。
对比例1
一种锂离子电池，该电池包括正极材料、负极材料、纤维素隔膜和电解液，该电池的正极材料包括磷酸铁锂，聚偏氟乙烯和碳黑，该电池的负极包括石墨、丁苯橡胶、导电石墨和羧甲基纤维素钠；其中，正极材料的用量为100g(其中，所述磷酸铁锂的用量为97g，所述聚偏氟乙烯的用量为1.5g，所述碳黑的用量为1.5g)；负极材料的用量为100g(其中，所述石墨的用量为96g，所述丁苯橡胶的用量为2g，所述导电石墨的用量为1g，所述羧甲基纤维素钠的用量为1g)。上述锂离子电池的制备采用现有技术进行制备。
测试例
将实施例1制得的锂离子电池进行性能测试，测试其在25℃环境下8C倍率充放电性能，以及其在1C倍率充电5C倍率放电时的循环性能；测试其在-20℃下，5C倍率放电性能，检测结果见图1-图3，由图1-图3可以看出：在25℃的环境下，8C倍率电流充放电，放电容量达额定容量的95％以上，且1C充电5C放电循环2000次，容量保持率在90％以上；在-20℃下，以5C倍率电流放电，放电容量达额定容量的80％以上。
将对比例1制得的锂离子电池进行性能测试，测试其在25℃环境下8C倍率充放电性能，以及其在1C倍率充电5C倍率放电时的循环性能；测试其在-20℃下，5C倍率放电性能。
通过上述技术方案可知，含氮石墨烯包覆的磷酸铁锂具有优异的倍率充放电性能，并且在低温环境下放电性能良好，实施例1制得的锂离子电池的经过检测显示该锂离子电池的具体性能如下：在25℃的环境下，8C倍率电流充放电，放电容量达额定容量的95％以上，且1C充电5C放电循环2000次，容量保持率在90％以上；在-20℃下，以5C倍率电流放电，放电容量达额定容量的80％以上。
对比例1制得的锂离子电池经过检测显示该锂离子电池的具体性能如下：在25℃的环境下，8C倍率电流充放电，放电容量达额定容量不足60％，且1C充电5C放电循环只能达到1200次；在-20℃下，以5C倍率电流放电，放电容量达额定容量不足45％。
综上，实施例1制得的锂离子电池较对比例1制得的锂离子电池具备更为优良的充放电性能，而且在低温环境下放电效果更优。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种改性磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，该方法包括：
将磷酸铁锂、含氮石墨烯和有机溶剂混合，可选的干燥后进行第一热处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，含氮石墨烯的制备步骤包括：将氧化石墨烯和尿素混合搅拌、可选的进行干燥，然后进行第二热处理，得到含氮石墨烯。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，第一热处理和第二热处理的条件各自包括：温度为500-900℃，时间为1-2.5h；和/或
氧化石墨烯与尿素按摩尔比为1：1-1.5的比例进行混合，含氮石墨烯与磷酸铁锂按质量比为1：5-20进行混合；和/或
所述有机溶剂为乙二醇。
4.一种由权利要求1-3中任意一项所述的方法得到的改性磷酸铁锂。
5.根据权利要求4所述的改性磷酸铁锂，其中，所述改性磷酸铁锂的D50为2-5μm，比表面积为15-25m2/g。
6.权利要求5所述的改性磷酸铁锂在作为电池材料中的应用。
7.一种正极材料，所述正极材料包括：正极活性物质，其特征在于，正极活性物质包括权利要求4或5所述的改性磷酸铁锂。
8.根据权利要求7所述的正极材料，其中，所述正极活性物质中80重量％以上为权利要求4或5所述的改性磷酸铁锂。
9.根据权利要求7或8所述的正极材料，其中，所述正极材料包括：正极活性物质、粘接剂和导电剂；相对于100重量份的正极材料，所述正极活性物质的含量为92-97重量份，所述粘结剂的含量为1.5-4重量份，所述导电剂的含量为1.5-4重量份；
优选粘接剂为聚偏氟乙烯。
10.一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液；其特征在于，所述正极材料为权利要求7-9中任意一项所述的正极材料。
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