CN110021752B - 一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料及制备方法 - Google Patents

一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料及制备方法，其制备方法为，将Al(NO3)3·9H2O，LiNO3和NH4F分别溶于去离子水，混合均匀；再加入LiFePO4粉末，发生反应；其中Al(NO3)3·9H2O：LiNO3：NH4F：LiFePO4的摩尔比为1：0.8‑1.2：4‑4.5：30‑36，反应温度为150‑160℃，反应时间为5‑8h；洗涤，干燥，干燥温度为80‑90℃，时间为12‑14h；然后煅烧，煅烧温度为500‑550℃，时间为6‑8h，即得到一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料。本发明制备的磷酸铁锂正极材料的电导率得到了提高，应用于电池，提高了电池的电化学性能与循环性能。

Description

一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料及制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极材料，具体涉及一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料及制备方法。
背景技术
在过去的几十年，地球上的温室效应和有限的化石燃料。因此，科学家们积极开发新能源来代替它们。锂离子电池技术已经非常成熟，并且已经商业化。橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料于1997年首次被美国Goodenough课题组报道。与LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2比较，LiFePO4具有更高的理论放电比容量(170mAh/g)、放电电压平台为3.4V、能量密度高、循环性能好、安全性好、环境友好和成本低廉等优点。因此，LiFePO4正极材料成为了最具有发展潜力的锂离子电池正极材料。
但是，LiFePO4存在一些缺陷：(1)较低的电子导电率导致在脱锂过程中外层的FePO4会阻碍粒子的迁移，不利于内部LiFePO4的脱锂，从而影响电池的电化学性能和循环性能；(2)离子扩散系数低；(3)较小的振实密度造成体积能量密度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料及制备方法。
本发明的技术方案为：磷酸铁锂粉末的制备方法为，将NH4H2PO4，Fe(NO3)3·9H2O，葡萄糖溶于去离子水中，进行反应，反应温度为130-160℃，时间为5-8h，反应完成后，洗涤，然后进行干燥，干燥温度为60-90℃，时间12-14h；然后进行煅烧，煅烧温度为480-550℃，时间为10-12h，将煅烧后的产品加入Li2CO3进行球磨，时间为2-4h，再进行煅烧，煅烧温度为700-800℃，最后将得到的产品进行研磨，筛分，即得到LiFePO4粉末。
Al(NO3)3·9H2O，LiNO3和NH4F分别溶于去离子水，混合均匀；再加入LiFePO4粉末，进行反应，反应温度为150-160℃，反应时间为5-8h；然后洗涤，再进行干燥，温度为80-90℃，时间为12-14h；干燥后的样品在氩气的保护下，升温煅烧，煅烧温度为500-550℃，时间为6-8h；最后得到锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料。
进一步地，NH4H2PO4，Fe(NO3)3·9H2O，葡萄糖，Li2CO3的摩尔比为：1:0.8-1.2:1.0-1.2：1-1.1。
进一步地，Al(NO3)3·9H2O：LiNO3：NH4F：LiFePO4的摩尔比为1：0.8-1.2：4-4.5：30-36。
本发明的有益效果为：Al(NO3)3·9H2O，LiNO3和NH4F混合均匀后再加入LiFePO4，可以避免副反应的发生，将反应后的产物洗涤后再进行干燥，避免了过多的杂质对产品的性能的影响；阴离子掺杂取代LiFePO4中部分的O2-，提高了材料的电子电导率。通过阴阳离子共掺杂，得到的活性正极材料具备优异的充放电循环性能，能够在小电流充放电时接近理论放电比容量；同时在大电流充放电时的比容量较掺杂前有明显提高，且具有很好的循环性能。
在磷酸铁锂的制备过程中，添加的葡萄糖可以在煅烧过程中，会分解产生二氧化碳、水蒸气，可以抑制颗粒的团聚和变大，有利于合成形貌可控的纳米级正极材料；同时在制备磷酸铁锂过程中进行两次煅烧，有利于形成体积可控的更小的纳米级正极材料。
具体的实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
试剂：NH4H2PO4，Fe(NO3)3·9H2O，Li2CO3，Al(NO3)3·9H2O，LiNO3，NH4F，萄萄糖，去离子水和乙醇。
磷酸铁锂粉末的制备：1.15g NH4H2PO4，4.04g Fe(NO3)3·9H2O溶于60mL去离子水中，加入2g葡萄糖，搅拌30min。发生反应，在140℃下反应6h，自然冷却到室温，用水和乙醇洗涤三次。将样品放在60℃烘箱中干燥12h，然后在管式炉中氮气保护下，500℃煅烧10h。把煅烧后的样品与0.74g Li2CO3进行球磨混合2h，再在氮气氛围中，700℃煅烧10h，冷却后研磨，筛分除铁即得到LiFePO4样品。
Li、Al和F共掺杂LiFePO4的制备：0.0683gAl(NO3)3·9H2O，0.0126g LiNO3和0.0283gNH4F溶于30mL去离子水，搅拌1h。再加1g LiFePO4粉末继续搅拌1h。将混合液转移到50mL反应釜中，在160℃下保持5h。降温，用水洗涤三次，然后升温干燥，温度为80℃，时间为12h。干燥后的样品在管式炉的氩气氛围下500度煅烧6h。
实施例2：
磷酸铁锂粉末的制备：1.15gNH4H2PO4，3.23gFe(NO3)3·9H2O溶于60ml去离子水中，加入2.18葡萄糖，搅拌30min。发生反应，在150℃下反应8h，自然冷却到室温，用水和乙醇洗涤三次。将样品放在80℃烘箱中干燥14h，然后在管式炉中氮气保护下，500℃煅烧10h。把煅烧后的样品与0.81gLi2CO3进行球磨混合2h，再氮气氛围中，700℃煅烧10h，冷却后研磨，筛分除铁即得到LiFePO4样品。
Li、Al和F共掺杂LiFePO4的制备：0.0750g Al(NO3)3·9H2O，0.0138g LiNO3和0.0296g NH4F溶于去离子水中，搅拌1h。再加入1.14g LiFePO4粉末继续搅拌1h。发生反应，在160℃下保持5h。自然降到室温，用水洗涤三次，在80℃下进行干燥，时间为12h。干燥后的样品在管式炉的氮气氛围下480度煅烧7h。
实施例3：
磷酸铁锂粉末的制备1.15g NH4H2PO4，4.84g Fe(NO3)3·9H2O溶于60mL去离子水中，加入1.82g葡萄糖，搅拌30min。发生反应，在130℃下反应8h，自然冷却到室温，用水和乙醇洗涤三次。将样品放在70℃烘箱中干燥13h，然后在管式炉中氩气保护下，530℃煅烧10h。把煅烧后的样品与0.81g Li2CO3进行球磨混合2h，再在氮气氛围中，700℃煅烧10h，冷却后研磨，筛分除铁即得到LiFePO4样品。
Li、Al和F共掺杂LiFePO4的制备：0.0563g Al(NO3)3·9H2O，0.0124g LiNO3和0.025g NH4F溶于30mL去离子水，搅拌1h。再加入0.85g LiFePO4粉末继续搅拌1h。将混合液转移到50mL反应釜中，在160℃下保持5h。自然降到室温，用水洗涤三次，在80℃下进行干燥，时间为12h。干燥后的样品在管式炉的氩气氛围下550℃煅烧7h。
Li、Al和F共掺杂磷酸铁锂正极材料的电化学性能测试：
随机抽取80个组装好的扣试电池进行充放电测试。常温存放前，记录充电一次的容量；在高温(40-50℃)下静置存放28天后，记录放电一次的容量。表1为1C、2C、5C、10C和15C倍率下测试LiFePO4材料和Li、Al和F共掺杂LiFePO4材料的比率；表2为Li、Al和F共掺杂LiFePO4材料充放电测试。
Figure GDA0002082408630000041
表1
在表1中，可以看出LiFePO4材料在1C、2C、5C、10C和15C倍率下的比率分别为100.15％、100.00％、99.40％、97.40％和93.36％。而Li、Al和F共掺杂LiFePO4正极材料在15C下比率为97.95％。掺杂原子取代橄榄石晶体中铁的位置，通过电荷补偿机制，将会在晶体中产生铁空位和锂空位。电荷补偿机制中产生铁空位和锂空位会增加锂离子在晶体中的移动能力，提高倍率性能。
Figure GDA0002082408630000042
Figure GDA0002082408630000051
Figure GDA0002082408630000061
表2
在表2中，充电容量在42.609-43.521Ah，充放电保持率基本上都在99.0％以上。掺杂后，锂离子的扩散速率加快，电子电导率提高，有利于正极材料充放电，说明Li、Al和F共掺杂LiFePO4正极材料自放电性能较好。

Claims (1)

1.一种锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：将Al(NO3)3•9H2O，LiNO3和NH4F分别溶于去离子水，混合均匀后，加入LiFePO4粉末，发生反应，反应完成后，将产品洗涤，干燥，然后煅烧，最后得到锂、铝和氟共掺杂磷酸铁锂正极材料；所述反应过程中，反应温度为150-160℃，反应时间为5-8h；所述Al(NO3)3•9H2O：LiNO3：NH4F：LiFePO4的摩尔比为1：0.8-1.2：4-4.5：30-36；所述干燥过程中，干燥温度为80-90℃，时间为12-14h；所述煅烧过程中，煅烧温度为500-550℃，时间为6-8h；所述煅烧过程在氮气或氩气的保护下进行；所述LiFePO4的制备方法为，将 NH4H2PO4， Fe(NO3)3•9H2O，葡萄糖溶于去离子水中，进行反应，反应温度为130-160℃，时间为5-8h，反应完成后，洗涤，然后进行干燥，干燥温度为60-90℃，时间12-14h；然后进行煅烧，煅烧温度为480-550℃，时间为10-12h，将煅烧后的产品加入Li2CO3进行球磨，时间为2-4h，再进行煅烧，煅烧温度为700-800℃，最后将得到的产品进行研磨，筛分;所述NH4H2PO4，Fe(NO3)3•9H2O，葡萄糖，Li2CO3的摩尔比为1:0.8-1.2:1.0-1.2：1-1.1。
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