CN109461933A - 一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：1)将磷酸铁锂材料置于放电等离子体反应炉中，并对反应炉抽真空；2)之后向反应炉持续通入反应气体，放电产生等离子体轰击泡沫镍，控制反应温度和反应时间，使高能粒子轰击磷酸铁锂材料表面，在材料中产生缺陷，得到改性后的高电化学性能磷酸铁锂材料。本发明利用放电等离子体将反应气体电离产生氢自由基、氮自由基、氩自由基和氦自由基等，对磷酸铁锂表面轰击进行还原和改性处理，提高磷酸铁锂的电导率，从而加快了正极材料中的锂离子扩散速率，对提升正极材料的综合性能具有重要的意义。

Description

一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法
技术领域
本发明涉及一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，属于能源技术领域。
背景技术
人类文明的进步发展与能源技术息息相关，以煤、石油、天然气为代表的化石能源是社会发展的重要基石，推动了人类社会的发展。但近年来，随着化石能源的过度开发和全球气候变暖等气候问题不断严重，能源和环境面临着前所未有的挑战。
锂离子电池是最具研究前景的二次电池，本身具有诸多的优势，包括能量密度大、安全性能好、充放电循环寿命长、自放电低等优异的特点，已经成为了动力电池领域的重要研究方向。
磷酸铁锂材料最早在1997年，由Goodenough课题组报道，该材料具有放电平台高、放电平台稳定、理论容量高(170mAh/g)、体积能量密度大的优点，同时原料价格低廉，安全无毒，被认为是最具发展潜力的动力电池正极材料。但是磷酸铁锂材料本身电导率较低，且自身的锂离子扩散系数较低，这使得该材料的倍率性能较差，特别是大电流密度下容量衰减较快。
在本发明中，我们采用了等离子体表面改性的方法，这种方法用于锂离子正极材料磷酸铁锂表面改性时，有利于提升材料的电导率和锂离子扩散系数，提升了电极的容量，改善了电极材料的倍率性能。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法。这种方法可用于对磷酸铁锂进行表面改性，提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂本身的电导率和锂离子扩散能力，对于提升电池的性能具有重要的意义。
技术方案：本发明提供了一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：
1)将磷酸铁锂材料置于放电等离子体反应炉中，均匀铺展开，并对反应炉抽真空；
2)之后向反应炉持续通入反应气体，放电产生等离子体轰击泡沫镍，控制反应温度和反应时间，使高能粒子轰击磷酸铁锂材料表面，在材料中产生缺陷，得到改性后的高电化学性能的磷酸铁锂材料。
其中：
步骤1)所述的磷酸铁锂材料为粉末状。
步骤1)所述的对反应容器抽真空，反应容器的真空度为1Pa～100Pa，优选为5Pa。
步骤2)所述的持续通入反应气体中，反应气体的气体流量为10sccm～250sccm，优选为100sccm。
步骤2)所述的反应气体包含氢气、氮气、氨气、氩气、氦气中的一种或多种，优选为氢气和氮气。
步骤2)所述的放电产生等离子体中，离子体为射频等离子体，电压为350～1000V，占空比为35～85％。
步骤2)所述的控制反应温度和反应时间中，反应温度保持为100～500℃，优选为200～250℃；反应时间保持为60min～240min，优选为120min。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明提供的提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法中，采用的材料成本较低，且无毒害；采用的制备方法工艺成熟，过程易控制；制备的材料性能优异。
2、本发明提供的提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，通过放电等离子体放电，将反应气体中电离，产生高能粒子轰击正极材料表面，对正极材料进行改性和还原，改性后的正极材料具有较高的电导率和锂离子扩散速率，倍率性能和高倍率放电性能得到显著提升；
3、本发明提供了一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，有利于提升锂离子电池正极材料的性能，特别是提高材料的电导率和锂离子扩散能力，适用于动力电池正极材料。
附图说明
图1是本发明所用磷酸铁锂粉末扫描电镜图片；
图2是本发明实施例2中等离子体处理后磷酸铁锂扫描电镜图片；
图3是本发明实施例1得到等离子体表面改性后的高电化学性能的磷酸铁锂材料在1C倍率下循环性能图；
图4是本发明实施例2得到等离子体表面改性后的高电化学性能的磷酸铁锂材料在1C倍率下循环性能图；
图5是本发明实施例3得到等离子体表面改性后的高电化学性能的磷酸铁锂材料在1C倍率下循环性能图。
具体实施方式
本发明涉及一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
实施例1：
一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：
1)将磷酸铁锂粉末3g置于放电等离子体反应炉中，均匀铺展开，并对反应炉抽真空至真空度为3Pa；
2)之后以氢气：氮气＝50sccm：50sccm的比例和流量，向反应容器中通入反应气体氢气和氮气，控制容器真空度为3Pa；
3)开启射频功率源，调节电压为450V、占空比为60％，使反应器中的等离子体放电；反应气体在放电等离子体的作用下电离为高能粒子，轰击磷酸铁锂正极表面，反应温度控制在100℃、反应60min后停止，得到等离子体处理改性后的磷酸铁锂正极材料。
测得改性后的磷酸铁锂材料的颗粒略有减小，颗粒分布均匀，在1C倍率下放电50次，容量仍有156.6mAh/g，库伦效率接近100％，且倍率性能优异，性能的得到了显著提升。
实施例2：
一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：
1)将磷酸铁锂粉末5g置于放电等离子体反应炉中，均匀铺展开，并对反应炉抽真空至真空度为5Pa；
2)之后以氢气：氨气＝100sccm：100sccm的比例和流量，向反应容器中通入工作气体，控制容器真空度为5Pa；
3)开启射频功率源，调节电压为1000V，占空比为85％，使反应器中的等离子体放电；反应气体在放电等离子体的作用下电离为高能粒子，轰击磷酸铁锂正极表面，反应温度控制在300℃、反应120min后停止，得到等离子体处理改性后的磷酸铁锂正极材料。
测得改性后的材料电导率和锂离子扩散系数得到显著提升，磷酸铁锂正极材料在1C倍率下循环100次后，放电容量为159.9mAh/g，和原始的磷酸铁锂相比，容量得到了显著提升，具有较好的实际使用潜力。
实施例3：
一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：
1)将磷酸铁锂粉末5g置于放电等离子体反应炉中，均匀铺展开，并对反应炉抽真空至真空度为80Pa；
2)之后以氢气：氦气＝150sccm：150sccm的比例和流量，向反应容器中通入工作气体，控制容器真空度为80Pa；
3)开启射频功率源，调节电压为350V，占空比为35％，使反应器中的等离子体放电；反应气体在放电等离子体的作用下电离为高能粒子，轰击磷酸铁锂正极表面，反应温度控制在250℃、反应60min后停止，得到等离子体处理改性后的磷酸铁锂正极材料。
测的改性后的材料电导率和锂离子扩散系数得到显著提升，磷酸铁锂正极材料在1C倍率下循环100次后，放电容量为151.6mAh/g，和原始的磷酸铁锂相比，容量得到了显著提升，适用于动力电池正极材料。
实施例4：
一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：
1)将磷酸铁锂粉末5g置于放电等离子体反应炉中，均匀铺展开，并对反应炉抽真空至真空度为1Pa；
2)之后以氩气：氮气＝10ccm：10sccm的比例和流量，向反应容器中通入工作气体，控制容器真空度为1Pa；
3)开启射频功率源，调节电压为650V，占空比为35％，使反应器中的等离子体放电；反应气体在放电等离子体的作用下电离为高能粒子，轰击磷酸铁锂正极表面，反应温度控制在100℃、反应240min后停止，得到等离子体处理改性后的磷酸铁锂正极材料。
测的改性后的材料电导率和锂离子扩散系数得到显著提升，磷酸铁锂正极材料在1C倍率下循环100次后，放电容量为150.4mAh/g，和原始的磷酸铁锂相比，容量得到了显著提升，适用于动力电池正极材料。
实施例5：
一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：
1)将磷酸铁锂粉末5g置于放电等离子体反应炉中，均匀铺展开，并对反应炉抽真空至真空度为100Pa；
2)之后以氦气：氨气＝250sccm：250sccm的比例和流量，向反应容器中通入工作气体，控制容器真空度为100Pa；
3)开启射频功率源，调节电压为1000V，占空比为75％，使反应器中的等离子体放电；反应气体在放电等离子体的作用下电离为高能粒子，轰击磷酸铁锂正极表面，反应温度控制在500℃、反应120min后停止，得到等离子体处理改性后的磷酸铁锂正极材料。
测的改性后的材料电导率和锂离子扩散系数得到显著提升，磷酸铁锂正极材料在1C倍率下循环100次后，放电容量为152.8mAh/g，和原始的磷酸铁锂相比，容量得到了显著提升，适用于动力电池正极材料。

Claims (7)

1.一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，其特征在于：该方法利用放电等离子体技术，包括如下步骤：
1)将磷酸铁锂材料置于放电等离子体反应炉中，并对反应炉抽真空；
2)之后向反应炉持续通入反应气体，放电产生等离子体轰击泡沫镍，控制反应温度和反应时间，使含氮高能粒子轰击磷酸铁锂材料表面，在材料中产生缺陷，得到改性后的高电化学性能磷酸铁锂材料。
2.如权利要求1所述的一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，其特征在于：步骤1)所述的磷酸铁锂材料为粉末状。
3.如权利要求1所述的一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，其特征在于：步骤1)所述的对反应容器抽真空，反应容器的真空度为1Pa～100Pa。
4.如权利要求1所述的一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，其特征在于：步骤2)所述的持续通入反应气体中，反应气体的气体流量为10sccm～250sccm。
5.如权利要求1所述的一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，其特征在于：步骤2)所述的反应气体包含氢气、氮气、氨气、氩气、氦气中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，其特征在于：步骤2)所述的放电产生等离子体中，离子体为射频等离子体，电压为350～1000V，占空比为35％～85％。
7.如权利要求1所述的一种提升锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能的改性方法，其特征在于：步骤2)所述的控制反应温度和反应时间中，反应温度保持为100℃～500℃，反应时间保持为60min～240min。
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