CN108682811A - 一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料及其制备方法,以提高磷酸锰锂的离子电导率和循环稳定性,从而改善磷酸锰锂正极材料的倍率性能不好和循环稳定性差的缺点。本发明的复合材料的名义分子式为(1‑x)LiMnPO4·xLiVPO4F/C,其中0<x≤0.3。合成的复合材料一次颗粒为60~100nm大小,在颗粒表面包覆了一层均匀的碳源。本发明提出的制备方法工艺过程简单,易于控制,制备的(1‑x)LiMnPO4·xLiVPO4F/C复合正极材料通过组分之间协同作用,具有能量密度高、循环稳定、倍率性能好的特点。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料制备技术领域,具体涉及一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料及其制备方法。
背景技术
聚阴离子型材料以橄榄石结构的磷酸盐体系LiMPO4(M=Fe、Mn、Ni或Co)最为成熟,市场上动力电池大多采用的是LiFePO4正极材料,而LiMnPO4具有较LiFePO4更高的电压平台(4.1V vsLi+/Li),比磷酸铁锂正极材料的理论能量密度更高。然而磷酸锰锂离子电导率和电子电导率极低,纯相磷酸锰锂趋近于绝缘体,导致纯磷酸锰锂正极材料可逆性差,倍率性能不佳。
虽然碳包覆有利于磷酸盐电极材料电化学性能的提升,但是磷酸盐电极材料在高倍率条件下循环时表面碳包覆层的结构会发生改变,电导率也会随之降低,而且更高的充电截止电压会加剧电极材料与电解液间的副反应,还会影响到材料的循环寿命。而且在高倍率条件下,在电极材料颗粒表面会形成较高的电场梯度和浓度梯度,进而对材料颗粒表面造成一定的破坏,影响了材料颗粒表面的结构稳定性,降低了材料的循环性能。
电池材料在高倍率下颗粒表面的结构稳定性与电荷传导性对于循环稳定性至关重要。这就需要优化材料表面结构及电导率,通过在表面包覆层中引入新功能相构建分布均匀的导电网络,同时缓解高倍率下电极表面结构的变化是稳定发挥磷酸盐系材料储锂性能的有效手段。
发明内容
为了解决现有技术中磷酸锰锂倍率性能差,循环性能不好的问题,本发明的目的在于提供一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料及其制备方法,所述复合正极材料具有高放电比容量、优异的循环性能和倍率性能。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料,所述复合正极材料的分子式为(1-x)LiMnPO4·xLiVPO4F/C,其中0<x≤0.3,所述复合正极材料中C的质量分数为2~6wt%。
优选的方案,所述0.05≤x≤0.3。
作为进一步的优选,所述0.1≤x≤0.3。
作为更进一步的优选,所述0.2≤x≤0.3。
优选的方案,所述复合正极材料中C的质量分数为2.5~4wt%。
作为进一步的优选,所述复合正极材料中C的质量分数为2.8~3.8wt%。
优选的方案,所述复合正极材料中,LiMnPO4为核心材料,LiVPO4F为中间层包覆于LiMnPO4的表面,C为外层包覆于LiVPO4F的表面。
优选的方案,所述复合正极材料的粒径为60~100nm。
本发明所提供的磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料,其中LiVPO4F与磷酸锰锂复合可形成稳定的两相界面结构,通过具有脱嵌锂电化学活性两相的协同效应达到比容量、倍率性能与循环稳定性的优化。
一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤一、LiMnPO4/LiVPO4F复合材料的制备
将含氟磷酸钒锂前驱体的溶液加入至含磷酸锰锂的混合液中,混合获得混合浆料,混合浆料在沸腾下回流反应,固液分离即获得LiMnPO4/LiVPO4F复合材料;
所述含磷酸锰锂的混合液中的溶剂为沸点≥180℃的多元醇;
步骤二、LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料的制备
将步骤一所得的LiMnPO4/LiVPO4F复合材料与碳源混合获得混合物料,混合物料于非氧化气氛下煅烧,即得LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料。
优选的方案,所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液中,Li:V:P:F的摩尔比为1.2~2:1:1.5~2:1.1~1.5。
作为进一步的优选,所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液中,Li:V:P:F的摩尔比为1.2~1.5:1:1.5~2:1.2~1.5。
优选的方案,所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液中,钒元素的浓度为0.1mol/L~0.5mol/L。作为进一步的优选,所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液中,钒元素的浓度为0.2mol/L~0.4mol/L。
优选的方案,所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液的配取方式为:将钒源、锂源、磷源、氟源加入有机溶剂中,在超声条件下搅拌1~2h,使钒源、锂源、磷源、氟源充份溶解、分散均匀,即获得含氟磷酸钒锂前驱体的溶液。
优选的方案,所述钒源选自三氯化钒、草酸氧钒、四氯化钒、硫酸氧钒、乙酰丙酮钒、乙酰丙酮氧钒、三异丙氧基氧钒中的至少一种。
作为进一步优选,所述钒源选自三氯化钒、乙酰丙酮钒中的至少一种。
优选的方案,所述锂源选自硝酸锂、氯化锂、磷酸二氢锂、氟化锂中的至少一种。作为进一步优选,所述锂源选自氯化锂、氟化锂中的至少一种。
优选的方案,所述磷源选自磷酸二氢铵、磷酸、磷酸二氢锂中的至少一种。
优选的方案,所述氟源选自氟化铵、氟化锂中的至少一种。
优选的方案,所述有机溶剂选自乙醇、异丙醇、丙酮中的至少一种。
优选的方案,所述混合浆料中,氟磷酸钒锂前驱体中的钒元素与磷酸锰锂的质量比满足LiMnPO4/LiVPO4F/C复合材料中设计分子式的比例关系。
优选的方案,所述磷酸锰锂的粒径为50~100nm。
作为进一步的优选,所述磷酸锰锂的粒径为50~90nm。
优选的方案,所述多元醇选自乙二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇、甘油中的至少一种。作为进一步的优选,所述多元醇选自乙二醇、二甘醇、三甘醇、甘油中的至少一种。
优选的方案,所述步骤一中,混合的方式为球磨,所述球磨的时间为1~4h。
在本发明中,采用球磨的方式,获得混合浆料,通过球磨,可形成均匀的Li-V-P-F原料分散体系。
优选的方案,所述混合浆液中,磷酸锰锂的质量分数为10~40wt%。作为进一步的优选,所述混合浆液中,磷酸锰锂的质量分数为20~40wt%。
优选的方案,所述回流反应的时间为12~24h。作为进一步的优选,所述回流反应的时间为12~20h。
优选的方案,所述碳源选自聚乙烯醇、聚乙二醇、淀粉、纤维素中的至少一种。作为进一步的优选,所述碳源选自聚乙烯醇、聚乙二醇、淀粉中的至少一种。
优选的方案,所述碳源的加入量为LiMnPO4/LiVPO4F复合材料质量的10~30wt%。
作为进一步的优选,所述碳源的加入量为LiMnPO4/LiVPO4F复合材料质量的15~20wt%。
优选的方案,所述非氧化气氛为氮气、氩气、氢气中的至少一种。
优选的方案,所述煅烧的温度为550~700℃,煅烧的时间为1~4h。
作为进一步的优选,所述煅烧的温度为600~650℃,煅烧的时间为3~4h。
本发明的有益效果在于:
本发明提供了一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料,通过构筑具有多元嵌锂活性物质的复合结构来改善磷酸锰锂材料的表面性能、倍率性能和循环性能,形成相互协同效应提高了离子电导率,改善界面结构稳定性。
LiVPO4F是一种结构稳定,性能良好的聚阴离子正极材料,理论容量为155mAh/g,拥有单一而稳定的高放电平台(4.2V vsLi+/Li)。锂离子脱嵌过程中LiVPO4F的体积变化与磷酸锰锂十分接近,这样可以保证长循环下两相结构在界面两侧保持良好的匹配性,减少了两相界面的应力,形成了稳定的界面。相比于磷酸锰锂,LiVPO4F具有较高的离子扩散系数。通过具有优良离子电导率的LiVPO4F和具有优良电子电导率的包覆碳膜共同作用,在磷酸锰锂材料的颗粒间形成“离子导电修饰-电子导电网络”的协同效应,从而有效地改善了磷酸锰锂正极材料的性能。
本发明所提供的复合材料的制备方法,在工艺过程中通过沸腾状态下的多元醇回流法,有利于实现含钒前驱体均匀的分布在LiMnPO4晶粒表面,使元素达到均匀混合,且容易均匀分散,利于复合材料多层次导电网络的形成。
本发明制备的复合材料的优点在于:1)氟磷酸钒锂电压平台(4.2V vs Li+/Li)比磷酸锰锂电压平台还高出0.1V的高电压平台,而且氟磷酸钒锂具有较高的离子导电率,促进Li+在电解液和LiMnPO4之间的有效迁移,也利于缓解在高充电截止电压下电解液对LiMnPO4材料表面的侵蚀,可保证在稳定材料表面结构的同时优化颗粒之间的离子传导,且不会牺牲能量密度。2)由本发明制备的复合材料颗粒之间可形成电子-离子高导电相形成混合导电网络,LiVPO4F和包覆碳膜共同作用提供连续的电子导电性和锂离子扩散能力,增强了锂离子从体相到表面的扩散及电荷转移能力,并且其稳定的界面/表面结构能够抑制副反应,提高材料的结构稳定性,提高LiMnPO4复合材料的整体电导率和界面稳定性,从而增强正极材料的大电流充放能力和循环性能。
综上所述,本发明所提供的磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合材料具有能量密度高、循环性能好、倍率性能佳等优点。本发明的制备方法工艺过程简单,易于控制,所得复合材料粒度分布均匀。
附图说明
图1为实施例1(0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C)复合材料的XRD图。
图2为实施例2(0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C)复合材料的TEM图。
图3为实施例3(0.7LiMnPO4·0.3LiVPO4F/C)复合材料在0.5C倍率下的充放电曲线。
图4为实施例4(0.7LiMnPO4·0.3LiVPO4F/C)复合材料的SEM图。
图5为实施例2(0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C)复合材料的电化学循环曲线图。
图6为对比例1(0.9LiMnPO4·0.1Li3V2(PO4)3/C)复合材料的0.5C倍率下的充放电曲线。
具体实施方式
实施例1
首先称取1mmol乙酰丙酮钒溶解分散在4ml乙醇中,向上述悬浮分散液中加入2mmol H3PO4和1.2mmol LiF,超声处理1h,待其充分溶解分散后转移入分散有4mmol平均粒径为60nm的LiMnPO4的乙二醇溶剂体系中,球磨3h后,将获得混合浆料移入带有回流装置的圆底烧瓶,加入适量的乙二醇做分散剂和回流介质,控制混合浆料中的固含量(LiMnPO4的含量)为30%。经过超声处理30min后,在沸腾状态下以300r/min的搅拌速度强化反应12h。所得产物先后经过水和酒精洗涤3次后,经过高速离心分离,获得了灰绿色产物即为LiMnPO4/LiVPO4F复合材料。然后将灰绿色产物与15%wt的聚乙烯醇研磨混合均匀后置于气氛炉中,在氩气保护下600℃煅烧4h冷却至室温获得LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料,所得复合材料的分子式为:0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C。所得复合材料的平均粒径为80nm,复合材料中,碳的质量分数为2.8wt%。
本实施例所制备的0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C复合材料的XRD图谱如图1所示,其中复合材料衍射峰中分别标识出来了对应的为磷酸锰锂与氟磷酸钒锂峰位。本实施例中0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C复合材料在1C下放电比容量为137.4mAh/g。
实施例2
首先称取1mmol三氯化钒溶解分散在5ml异丙醇中,向上述悬浮分散液中加入1.5mmol H3PO4、1.5mmol LiCl和1.5mmolNH4F;超声处理1h,待其充分溶解分散后转移入分散有4mmol粒径为80nm的LiMnPO4的二甘醇溶剂体系中,球磨2h后将获得混合浆料移入带有回流装置的圆底烧瓶,加入适量的乙二醇做分散剂和回流介质,控制混合浆料中的固含量40%。经过超声处理30min后,在沸腾状态下以300r/min的搅拌速度强化反应15h。所得产物先后经过水和酒精洗涤3次后,经过高速离心分离,获得了灰绿色产物即为LiMnPO4/LiVPO4F复合材料。然后将灰绿色产物与20%wt淀粉研磨混合均匀后置于气氛炉中,在氩气保护下650℃煅烧3h冷却至室温获得LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料,所得复合材料的分子式为:0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C。所得复合材料的粒径为100nm。
本实施例所制备的0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C复合材料的TEM图如图2所示,从图2中可以看出LiVPO4F均匀分布在LiMnPO4颗粒表面,最外层为均匀分布的碳包覆层,复合材料中,碳的包覆含量为3.6wt%。
对本实施例所制备的0.8LiMnPO4·0.2LiVPO4F/C复合材料进行电化学循环曲线图如图5所示,结果表明,复合材料在2C下放电比容量为125.6mAh/g,循环250圈的容量保持率为94.5%。
实施例3
首先称取1.5mmol乙酰丙酮钒(约538.5mg)溶解分散在4.5ml乙醇和1.5ml丙酮中,向上述悬浮分散液中加入3mmol H3PO4和2mmol LiF;超声处理2h,待其充分溶解分散后转移入分散有3.5mmol粒径为50的LiMnPO4的三甘醇溶剂体系中,球磨4h后将获得前驱体浆料移入带有回流装置的圆底烧瓶,加入适量的三甘醇做分散剂和回流介质,使得混合浆料中的固含量为25%。经过超声处理30min后,在沸腾状态下以300r/min的搅拌速度强化反应18h。所得产物先后经过水和酒精洗涤3次后,经过高速离心分离,获得了灰绿色产物即为LiMnPO4/LiVPO4F复合材料。然后将灰绿色产物与15%的120mg聚乙二醇研磨混合均匀后置于气氛炉中,在氩气保护下600℃煅烧4h冷却至室温获得LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料,所得复合材料的分子式为:0.7LiMnPO4·0.3LiVPO4F/C,碳包覆量为2.95%。所得复合材料的平均粒径为60nm。
本实施例制备的0.7LiMnPO4·0.3LiVPO4F/C复合材料在0.5C倍率下的充放电曲线如图3所示,结果表明,在0.5C下放电比容量为140.1mAh/g,放电曲线中呈现明显的两个平台,分别对应LiVPO4F与LiMnPO4。
实施例4
首先称取1.5mmol三氯化钒溶解分散在6ml乙醇中,向上述悬浮分散液中加入3mmol H3PO4、2.25mmol LiCl和2mmolNH4F;超声处理2h,待其充分溶解分散后转移入分散有3.5mmol粒径为90nm的LiMnPO4的甘油溶剂体系中,球磨2h后将获得混合浆料移入带有回流装置的圆底烧瓶,加入适量的甘油做分散剂和回流介质,使得混合浆料中的固含量为20%。经过超声处理30min后,在沸腾状态下以300r/min的搅拌速度强化反应20h。所得产物先后经过水和酒精洗涤3次后,经过高速离心分离,获得了灰绿色产物即为LiMnPO4/LiVPO4F复合材料。然后将灰绿色产物与20%wt聚乙烯醇研磨混合均匀后置于气氛炉中,在氩气保护下650℃煅烧4h冷却至室温获得LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料,所得复合材料的分子式为:0.7LiMnPO4·0.3LiVPO4F/C。碳包覆量为3.8%。所得复合材料的粒径为100nm。
本实施例所制备的0.7LiMnPO4·0.3LiVPO4F/C复合材料的SEM图如图4所示,从图中可以看出复合材料的一次颗粒为纳米颗粒,团聚成2~3微米的球形颗粒。本实施例中0.7LiMnPO4·0.3LiVPO4F/C复合材料在1C倍率下放电比容量为132.5mAh/g。
对比例1
按照0.5mmolLi3V2(PO4)3比例,1mmol三氯化钒溶解分散在5ml异丙醇中,向上述悬浮分散液中加入2mmol H3PO4、2.5mmol LiCl;超声处理1h,待其充分溶解分散后转移入分散有4.5mmol粒径为80nm的LiMnPO4的乙二醇溶剂体系中,球磨2h后将获得混合浆料移入带有回流装置的圆底烧瓶,加入适量的乙二醇做分散剂和回流介质,控制混合浆料中的固含量40%。经过超声处理30min后,在沸腾状态下以300r/min的搅拌速度强化反应15h。所得产物先后经过水和酒精洗涤3次后,经过高速离心分离,获得了灰绿色产物即为LiMnPO4/Li3V2(PO4)3复合材料。然后将灰绿色产物与20%wt淀粉研磨混合均匀后置于气氛炉中,在氩气保护下650℃煅烧5h冷却至室温获得LiMnPO4/Li3V2(PO4)3/C复合正极材料,所得复合材料的分子式为:0.9LiMnPO4·0.1Li3V2(PO4)3/C。所得复合材料的粒径为100nm。
本实施例所制备的0.9LiMnPO4·0.1Li3V2(PO4)3/C复合材料的电化学循环曲线图如图6所示,结果表明,复合材料在0.5C下放电比容量为132.5mAh/g,其中3.5-3.7V呈现明显的两个小平台对应的是Li3V2(PO4)3的特征曲线。
对比例2
其他条件与实施例1相同,仅采用乙醇作为回流介质,结果并未得步骤一中的目标产物LiMnPO4/LiVPO4F复合材料。
对比例3
其他条件与实施例3相同,仅不采用沸腾回流法,而是在160℃的情况下反应,结果并未得步骤一中的目标产物LiMnPO4/LiVPO4F复合材料。
Claims (10)
1.一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料,其特征在于,所述复合材料的分子式为(1-x)LiMnPO4·xLiVPO4F/C,其中0<x≤0.3,所述复合正极材料中C的质量分数为2~6wt%。
2.制备如权利要求1所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、LiMnPO4/LiVPO4F复合材料的制备
将含氟磷酸钒锂前驱体的溶液加入至含磷酸锰锂的混合液中,混合获得混合浆料,混合浆料在沸腾下回流反应,固液分离即获得LiMnPO4/LiVPO4F复合材料;
所述含磷酸锰锂的混合液中的溶剂为沸点≥180℃的多元醇;
步骤二、LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料的制备
将步骤一所得的LiMnPO4/LiVPO4F复合材料与碳源混合获得混合物料,混合物料于非氧化气氛下煅烧,即得LiMnPO4/LiVPO4F/C复合正极材料。
3.根据权利要求2所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:
所述多元醇选自乙二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇、甘油中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:
所述磷酸锰锂的粒径为50~100nm。
5.根据权利要求2所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:
所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液中,Li:V:P:F的摩尔比为1.2~2:1:1.5~2:1.1~1.5;
所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液中,钒元素的浓度为0.1mol/L~0.5mol/L。
6.根据权利要求2所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:所述含氟磷酸钒锂前驱体的溶液的配取方式为,将钒源、锂源、磷源、氟源加入有机溶剂中,在超声条件下搅拌1~2h,即获得含氟磷酸钒锂前驱体的溶液。
7.根据权利要求6所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:
所述钒源选自三氯化钒、草酸氧钒、四氯化钒、硫酸氧钒、乙酰丙酮钒、乙酰丙酮氧钒、三异丙氧基氧钒中的至少一种;
所述锂源选自硝酸锂、氯化锂、磷酸二氢锂、氟化锂中的至少一种;
所述磷源选自磷酸二氢铵、磷酸、磷酸二氢锂中的至少一种;
所述氟源选自氟化铵、氟化锂中的至少一种;
所述有机溶剂选自乙醇、异丙醇、丙酮中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:
所述混合浆料中,氟磷酸钒锂前驱体中的钒元素与磷酸锰锂的质量比满足LiMnPO4/LiVPO4F/C复合材料中设计分子式的比例关系;
所述混合浆液中,磷酸锰锂的质量分数为10~40wt%;
所述回流反应的时间为12~24h。
9.根据权利要求2所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:
所述碳源选自聚乙烯醇、聚乙二醇、淀粉、纤维素中的至少一种;
所述碳源的加入量为LiMnPO4/LiVPO4F复合材料质量的10~30wt%。
10.根据权利要求2所述的一种磷酸锰锂/氟磷酸钒锂/碳复合材料的制备方法,其特征在于:所述煅烧的温度为550~700℃,煅烧的时间为1~4h。
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CN108682811B (zh) | 2021-02-05 |
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