CN110247036A - 一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料及制备方法 - Google Patents

一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，且公开了一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料及制备方法，包括以下重量份数配比的原料：7.4份的Li2CO3、18份的Fe(NO3)3、11.5份的NH4H2PO4、2份柠檬酸、1.5～2份的球形纳米石墨粉。本发明解决了磷酸铁锂(LiFePO4)在作锂离子电池正极材料使用时，存在的电子电导率和锂离子传导率均较低，使其在高倍率充放电时容量偏低的技术问题。

Description

一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合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技术领域，具体为一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料及制备方法。
背景技术
锂的过渡金属氧化物如层状结构的LiMO2(M＝Co、Ni、Mn)和尖晶石型结构的锰酸锂(LiMn2O4)是目前广泛研究的锂离子电池正极材料。其中，钴酸锂(LiCoO2)的成本较高、资源贫乏、毒性大；镍酸锂(LiNiO2)的制备困难、热稳定性差；锰酸锂(LiMn2O4)的容量较低、循环稳定性较差。
而橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)因具有比容量高、原料资源丰富、安全性好和环境友好等优点，被认为是最有应用潜力的新型锂离子电池正极材料。但是磷酸铁锂(LiFePO4)的电子电导率和锂离子传导率均较低，使其在高倍率充放电时容量偏低。因此为了推动这种材料的广泛应用必须对其进行改性研究，提高它的电子电导率和锂离子扩散能力。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料及制备方法，解决了磷酸铁锂(LiFePO4)在作锂离子电池正极材料使用时，存在的电子电导率和锂离子传导率均较低，使其在高倍率充放电时容量偏低的技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料，其特征在于，包括以下重量份数配比的原料：7.4份的Li2CO3、18份的Fe(NO3)3、11.5份的NH4H2PO4、2份柠檬酸、1.5～2份的球形纳米石墨粉。
优选的，球形纳米石墨粉的平均粒径≤400nm。
一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将7.4g的Li2CO3、18g的Fe(NO3)3、11.5g的NH4H2PO4、2g柠檬酸与200mL去离子水一起加入到装有水浴恒温装置和搅拌装置的反应器中，在水浴温度为60～80℃下，以180～300rpm的速率进行搅拌直至成为凝胶状，然后在温度300℃下进行炭化处理得到前驱体；
(2)将上述制备的前驱体与1.5～2g的球形纳米石墨粉一起置于20mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂中，先超声分散1～3h，再置于磁力搅拌器中，在转速500～800rpm下搅拌1～3h；
(3)之后，转移到置于球磨机中，按照球料比1：11将不锈钢球放入球磨机中，在氮气保护下进行球磨2～5h，转速为200～300rpm，将球磨好的材料取出，放在石英舟中，在100～105℃的真空干燥箱中烘干；
(4)之后，放入到直径为50mm的石墨模具中，模具内部涂有氮化硼防渗层，氩气保护，在压力8～10MPa、温度500～800℃热压烧结10～15h，制备得到基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料。
优选的，所述步骤(4)中，混合物料在压力9MPa、温度600℃热压烧结13h。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
利用平均粒径≤400nm的球形纳米石墨粉对LiFePO4进行表面修饰，合成出了LiFePO4基复合正极材料。引入球形纳米石墨粉的碳元素后，材料仍然保持标准的橄榄石型LiFePO4的晶体结构，且材料的锂离子扩散系数增加到了8.2×10-14cm2/s～8.6×10-14cm2/s。
具体实施方式
以下实施例中使用的原料如下：
平均粒径≤400nm的球形纳米石墨粉，纯度99.9％，麦克林试剂。
实施例一：
(1)将7.4g的Li2CO3、18g的Fe(NO3)3、11.5g的NH4H2PO4、2g柠檬酸与200mL去离子水一起加入到装有水浴恒温装置和搅拌装置的反应器中，在水浴温度为60℃下，以180rpm的速率进行搅拌直至成为凝胶状，然后在温度300℃下进行炭化处理得到前驱体；
(2)将上述制备的前驱体与1.5g平均粒径≤400nm的球形纳米石墨粉一起置于20mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂中，先超声分散1h，再置于磁力搅拌器中，在转速500rpm下搅拌1h；
(3)之后，转移到置于球磨机中，按照球料比1：11将不锈钢球放入球磨机中，在氮气保护下进行球磨2h，转速为200rpm，将球磨好的材料取出，放在石英舟中，在100℃的真空干燥箱中烘干；
(4)之后，放入到直径为50mm的石墨模具中，模具内部涂有氮化硼防渗层，氩气保护，在压力8MPa、温度500℃热压烧结10h，制备得到基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料；
(5)对上述制备的基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料进行性能测试，其锂离子扩散系数为8.2×10-14cm2/s。
实施例二：
(1)将7.4g的Li2CO3、18g的Fe(NO3)3、11.5g的NH4H2PO4、2g柠檬酸与200mL去离子水一起加入到装有水浴恒温装置和搅拌装置的反应器中，在水浴温度为80℃下，以300rpm的速率进行搅拌直至成为凝胶状，然后在温度300℃下进行炭化处理得到前驱体；
(2)将上述制备的前驱体与2g平均粒径≤400nm的球形纳米石墨粉一起置于20mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂中，先超声分散3h，再置于磁力搅拌器中，在转速800rpm下搅拌3h；
(3)之后，转移到置于球磨机中，按照球料比1：11将不锈钢球放入球磨机中，在氮气保护下进行球磨5h，转速为300rpm，将球磨好的材料取出，放在石英舟中，在105℃的真空干燥箱中烘干；
(4)之后，放入到直径为50mm的石墨模具中，模具内部涂有氮化硼防渗层，氩气保护，在压力10MPa、温度800℃热压烧结15h，制备得到基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料；
(5)对上述制备的基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料进行性能测试，其锂离子扩散系数为8.4×10-14cm2/s。
实施例三：
(1)将7.4g的Li2CO3、18g的Fe(NO3)3、11.5g的NH4H2PO4、2g柠檬酸与200mL去离子水一起加入到装有水浴恒温装置和搅拌装置的反应器中，在水浴温度为70℃下，以200rpm的速率进行搅拌直至成为凝胶状，然后在温度300℃下进行炭化处理得到前驱体；
(2)将上述制备的前驱体与1.8g平均粒径≤400nm的球形纳米石墨粉一起置于20mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂中，先超声分散2h，再置于磁力搅拌器中，在转速600rpm下搅拌2h；
(3)之后，转移到置于球磨机中，按照球料比1：11将不锈钢球放入球磨机中，在氮气保护下进行球磨4h，转速为280rpm，将球磨好的材料取出，放在石英舟中，在105℃的真空干燥箱中烘干；
(4)之后，放入到直径为50mm的石墨模具中，模具内部涂有氮化硼防渗层，氩气保护，在压力9MPa、温度600℃热压烧结13h，制备得到基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料；
(5)对上述制备的基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料进行性能测试，其锂离子扩散系数为8.6×10-14cm2/s。

Claims (4)

1.一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料，其特征在于，包括以下重量份数配比的原料：7.4份的Li2CO3、18份的Fe(NO3)3、11.5份的NH4H2PO4、2份柠檬酸、1.5～2份的球形纳米石墨粉。
2.根据权利要求1所述的LiFePO4基复合正极材料，其特征在于，所述球形纳米石墨粉的平均粒径≤400nm。
3.一种基于锂离子电池的LiFePO4基复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将7.4g的Li2CO3、18g的Fe(NO3)3、11.5g的NH4H2PO4、2g柠檬酸与200mL去离子水一起加入到装有水浴恒温装置和搅拌装置的反应器中，在水浴温度为60～80℃下，以180～300rpm的速率进行搅拌直至成为凝胶状，然后在温度300℃下进行炭化处理得到前驱体；
(2)将上述制备的前驱体与1.5～2g的球形纳米石墨粉一起置于20mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂中，先超声分散1～3h，再置于磁力搅拌器中，在转速500～800rpm下搅拌1～3h；
(3)之后，转移到置于球磨机中，按照球料比1：11将不锈钢球放入球磨机中，在氮气保护下进行球磨2～5h，转速为200～300rpm，将球磨好的材料取出，放在石英舟中，在100～105℃的真空干燥箱中烘干；
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4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，混合物料在压力9MPa、温度600℃热压烧结13h。
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