CN111081997A - 一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法 - Google Patents

一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，烧结工艺中，在有机包覆碳源对磷酸系锂离子正极材料进行包覆的基础上，烧结过程持续通入有机补充碳源。采用本发明的一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，可以在不降低锂离子扩散速率的条件下显著提高磷酸系锂离子正极材料的电子电导率。

Description

一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，属于锂电池正极材料制备技术领域。
背景技术
随着电池各个领域的发展和更替，目前全球锂离子电池市场正进行快速地发展。其中，正极材料是锂离子电池的关键核心材料之一，其性能直接影响了锂离子电池的各项主要性能指标，使用成本占据了锂离子电池的20％-40％，是目前各电池厂商应对补贴政策取消的重要研究开发方向。相对于锂离子电池的其他部件，正极材料的品种更加多样化，优缺点也各不相同，其应用领域也有所区别。目前已经市场化的锂离子电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂/磷酸锰锂和三元材料等产品，主要技术指标有比能量、循环稳定性、比功率、成本、安全可靠性、耐用性、生产制造效率等，上述指标之间相互关联，不同的应用领域对锂离子电池技术指标的优先考虑顺序也不相同。
橄榄石结构磷酸铁锂等磷酸系正极材料的主要优点是原料资源丰富、成本低、放电平台稳定、电池安全性能和循环性能好，是目前锂离子电池广泛应用的一种正极材料。然而，由于该系列材料有电导率低(磷酸铁锂10-10S/cm)和离子扩散速率慢(一维锂离子通道，10-14cm2/s)等固有缺陷，在一定程度上限制了其在部分领域中的实际应用，特别是在一些高倍率领域以及更高能量密度(纳米磷酸锰锂)的应用上。
为了提高磷酸铁锂的倍率性能以及优化磷酸锰锂的性能，需要合成更小的纳米颗粒。然而常规的复合碳源或单一碳源很难对纳米颗粒进行均匀包覆，极易造成颗粒烧结长大、包覆不均匀、碳包覆层过厚，从而降低材料的电子电导率或阻碍锂离子扩散速率。
水/溶剂热法是指在一定的温度(100-1000℃)和压强(1-100MPa)条件下，反应物存溶剂中借助特定的化学反应所进行的合成。水/溶剂热的低温、高压、溶液条件，有利于生长缺陷极少、晶向可控、完美的晶体，且合成产物结晶度高，易于控制产物结晶的粒径。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，本发明可以在不降低锂离子扩散速率的条件下显著提高磷酸系锂离子正极材料的电子电导率。
本发明采用的技术方案如下：
一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，烧结工艺中，在有机包覆碳源对磷酸系锂离子正极材料进行包覆的基础上，烧结过程持续通入有机补充碳源。
需要说明的是，在烧结前利用有机包覆碳源对磷酸系锂离子正极材料进行包覆，烧结过程中通入的有机补充碳源高温分解形成游离态碳原子，以气态的形式充满烧结区域，补充有机包覆碳源分解所缺失的碳原子，填补碳包覆层的缺陷，提高碳层的石墨化，从而在磷酸系锂离子正极材料表面形成均匀完整、高石墨化的碳包覆涂层。
需要说明的是，有机包覆碳源为磷酸系锂离子正极材料进行碳包覆的常规有机碳源；有机补充碳源在常温时为气态和/或液态的有机物，通过气化装置将液态有机补充碳源气化并定量地通入烧结炉，有机补充碳源一般是碳原子数量少气化温度较低的低分子量有机物，通常碳原子数量少于6气化温度低于150℃。
一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤a：制备磷酸系锂离子正极材料；
步骤b：采用半透膜对磷酸系锂离子正极材料进行过滤分离；
步骤c：磷酸系锂离子正极材料中加入有机包覆碳源，溶解后进行干燥处理；
步骤d：将干燥后的磷酸系锂离子正极材料加入烧结炉进行烧结，烧结过程持续通入有机补充碳源；
步骤e：将烧结后的颗粒经过破碎、干燥和包装等工艺获得成品。
需要说明的是，有机补充碳源在通入时为气态，本发明通过步骤b的过滤分离，可以除去并回收多余的锂离子，降低生产成本，并防止过多的锂离子对烧结工艺产生影响；步骤c中，在过滤后湿浆料中加入高分子有机化合物，有利于溶解性有机碳源与纳米颗粒混合均匀，充分接触，从而有利于碳源软化分解形成的前驱物均匀包覆在颗粒表面，防止纳米颗粒在烧结过程中长大；步骤d中，有机补充碳源在高温下分解形成游离态碳原子，以气态的形式充满烧结区域，补充有机包覆碳源分解所缺失的碳原子，填补碳包覆层的缺陷，提高碳层的石墨化，从而形成均匀完整、高石墨化的碳包覆涂层。
作为优选，所述有机补充碳源为甲醇、乙醇、丙醇、乙炔、丙炔、甲烷、乙烷、乙烯、丙烯和天然气等中的一种或多种。
作为优选，所述有机补充碳源的通入量为0.5kg/h-2kg/h。
作为优选，所述步骤a中，采用水/溶剂热法制备磷酸系锂离子正极材料。
需要说明的是，采用水/溶剂热法制备磷酸系锂离子正极材料纳米颗粒，该方法所制备的颗粒物相均匀，粒径分布窄，尺寸可控，低温及倍率性能优异，颗粒表面光滑、晶体结构完整有利于烧结过程中均匀碳包覆。
作为优选，所述步骤a中，将原材料按比例加入水与有机溶剂的混和溶剂中均匀搅拌，在保护气体的保护下反应，并高速搅拌，获得包含棒状、类球形的纳米磷酸系锂离子正极材料颗粒的浆料；反应温度为150℃-200℃，反应时间为2-8h。
作为优选，所述磷酸系锂离子正极材料为磷酸铁锂或磷酸锰铁锂。
作为优选，所述步骤a中，原材料磷源、铁源、锂源的化学计量数比为1：1：3，或者磷源、铁源加锰源、锂源的化学计量数比为1：1：3。
作为优选，所述铁源与锰源的比例为6：4至9：1。
作为优选，所述磷源为磷酸；所述铁源为二价铁源，铁源为硫酸亚铁、硝酸亚铁和草酸亚铁中的一种或多种；所述锰源为硫酸锰；所述锂源为一水氢氧化锂和/或碳酸锂。
作为优选，所述步骤a中，通过调节水与有机溶剂的混合比来控制磷酸系锂离子正极材料的纳米颗粒尺寸。
作为优选，所述步骤a中，水/溶剂热法采用水与乙二醇的混合溶剂。
作为优选，所述水与乙二醇的混合比为1:2-4。
作为优选，所述步骤b中，半透膜为陶瓷膜。
作为优选，所述步骤c中，通过喷雾塔干燥，喷雾温度为160℃-240℃。
作为优选，所述步骤c中，有机包覆碳源为亲水性的糖类和芳香类有机化合物。
作为优选，所述有机包覆碳源为蔗糖、葡萄糖、纤维素、聚乙二醇、酚醛树脂等中的一种。
作为优选，所述步骤c中，有机包覆碳源的添加量为铁源质量的10％-25％。
作为优选，所述步骤d中，烧结过程持续通入包含保护气体和有机补充碳源的混合气体。
上述方案中，将有机补充碳源与保护气体的混合气体一起通入烧结炉，一方面通过保护气体携带有机补充碳源，生产操作方便，降低生成成本；另一方面混合气体能够排出烧结炉中多余的空气防止材料氧化，同时提高了有机补充碳源在烧结炉中的均匀性，充分分解。
作为优选，所述步骤d中，烧结温度为600℃-800℃，烧结保温时间为6-12h。
作为优选，所述步骤d中，所述保护气体为氮气或者氩气。
作为优选，所述步骤e中，烧结后的颗粒经粉碎、干燥、过筛和包装工序，得到磷酸系锂离子正极材料成品。
本发明的一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，采用水/溶剂热法合成超纳米化磷酸系锂离子正极材料纳米颗粒，将合成的纳米颗粒置于气氛炉烧结，加入高分子量的有机包覆碳源和低分子量的有机补充碳源，同时通入保护气体进行保护，控制气氛炉的烧结温度500-800℃，反应时间为6-12h。烧结过程中高分子量的有机包覆碳源在低温软化分解所形成的前驱物包覆在颗粒表面，防止纳米颗粒长大，而低分子量的有机补充碳源在高温下分解形成游离态碳原子，以气态的形式充满整个烧结区域，补充有机包覆碳源分解所缺失的碳原子，填补碳包覆层的缺陷，提高碳层的石墨化，从而在磷酸系锂离子正极材料表面形成均匀完整、高石墨化的碳包覆涂层。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、水/溶剂热法制成的磷酸系锂离子正极材料纳米颗粒，颗粒大小均匀；
2、两/多种复合碳源对磷酸系锂离子正极材料的表面碳包覆，碳涂层厚度均匀，结构完整，石墨化程度高；
3、复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料制得的电池倍率性能优异，克容量高；
4、复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料制得的电池在低温下放电平台平稳，极化程度很小；
5、复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料制得的电池放电容量高。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是水/溶剂热法合成的磷酸系锂离子正极材料纳米颗粒图；
图2是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的表面碳包覆图；
图3是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的电池高倍率放电测试图；
图4是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的电池-20℃低温放电测试图；
图5是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的放电容量测试图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
本实施例的一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法,包括以下步骤：
步骤a：将磷酸、草酸亚铁、一水氢氧化锂是按化学计量数比1:1:3加入乙二醇/水的混合溶剂中，乙二醇/水的混合比例为1:1，将均匀搅拌的混合溶液置于反应釜中，以5℃/min快速升温达170℃，反应2h制得包含磷酸铁锂纳米颗粒的浆料；
步骤b：采用陶瓷膜对浆料进行洗涤分离，除去并回收多余的锂离子；
步骤c：向洗涤后的浆料中按草酸亚铁质量分数10％加入葡萄糖，均匀搅拌待葡萄糖充分溶解后通过喷雾塔快速干燥,喷雾温度为160℃；
步骤d：将干燥颗粒置于气氛炉中进行烧结，持续通入氮气和乙醇混合气体，调节氮气流量和乙醇加气室的温度，控制乙醇的通入量为1.5Kg/h，烧结温度设置为700度，反应时间为10h；
步骤e：烧结后的颗粒经粉碎、干燥、过筛、包装工序，得到碳源包覆超纳米化磷酸铁锂正极材料成品。
本实施例得到磷酸铁锂颗粒，颗粒大小均匀，颗粒尺寸为40-70nm，烧结过程中，高分子量的葡萄糖在低温开始软化分解，包裹住磷酸铁锂颗粒，防止颗粒长大，随反应温度的升高，葡萄糖继续分解碳化，形成非连续的碳化层，而此时乙醇气体也开始分解，源源不断补充碳原子，弥补碳化层形成过程中的缺陷，增加碳化层的石墨化，结构更加完整。
实施例2
本实施例的一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法,包括以下步骤：
步骤a：将磷酸、硝酸亚铁、碳酸锂是按化学计量数比1:1:3加入乙二醇/水的混合溶剂中，乙二醇/水的混合比例为3:2，将均匀搅拌的混合溶液置于反应釜中，以5℃/min快速升温达180℃，反应2h制得包含磷酸铁锂纳米颗粒的浆料；
步骤b：采用陶瓷膜对浆料进行洗涤分离，除去并回收多余的锂离子；
步骤c：向洗涤后的浆料中按硝酸亚铁质量分数13％加入蔗糖，均匀搅拌待蔗糖充分溶解后通过喷雾塔快速干燥,喷雾温度为200℃；
步骤d：将干燥颗粒置于气氛炉中进行烧结，持续通入氩气和甲醇混合气体，调节氩气流量和甲醇加气室的温度，控制甲醇的通入量为2Kg/h，烧结温度设置为650度，反应时间为12h；
步骤e：烧结后的颗粒经粉碎、干燥、过筛、包装工序，得到碳源包覆超纳米化磷酸铁锂正极材料成品。
本实施例得到颗粒尺寸为30nm-60nm的超纳米化的磷酸铁锂，两碳源互相作用所形成的石墨化碳层紧密粘附在颗粒表面，碳涂层结构完整，无缺陷。
实施例3
本实施例的一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法,包括以下步骤：
步骤a：将磷酸、硫酸亚铁加硫酸锰、碳酸锂是按化学计量数比1:1:3加入乙二醇/水的混合溶剂中，硫酸亚铁与硫酸锰的比例为6：4，乙二醇/水的混合比例为3:1，将均匀搅拌的混合溶液置于反应釜中，以5℃/min快速升温达180℃，反应2h制得包含磷酸锰铁锂纳米颗粒的浆料；
步骤b：采用陶瓷膜对浆料进行洗涤分离，除去并回收多余的锂离子；
步骤c：向洗涤后的浆料中按硫酸亚铁质量分数20％加入聚乙二醇，均匀搅拌待聚乙二醇充分溶解后通过喷雾塔快速干燥,喷雾温度为240℃；
步骤d：将干燥颗粒置于气氛炉中进行烧结，持续通入氮气和天然气混合气体，调节氮气和天然气加气室的温度，控制天然气的通入量为2Kg/h，烧结温度设置为650度，反应时间为10h；
步骤e：烧结后的颗粒经粉碎、干燥、过筛、包装工序，得到碳源包覆超纳米化磷酸铁锂正极材料成品。
本实施例得到磷酸锰铁锂颗粒，颗粒尺寸为50nm-70nm，高分子量碳源与低分子复合碳源烧结分解，形成结构均匀的石墨化碳层，显著提高磷酸锰铁理的电子电导率和锂离子扩散速率。
图1是水/溶剂热法合成的磷酸系锂离子正极材料纳米颗粒图，颗粒大小均匀；
图2是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的表面碳包覆图，碳涂层厚度均匀，结构完整，石墨化程度高，平均碳涂层厚度为4nm；
图3是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的电池高倍率放电测试图，复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料倍率性能优异，20C克容量达124mAh/g；
图4是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的电池-20℃低温放电测试图，复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料在-20度低温容量保持率达90％，且放电平台平稳，极化程度很小；
图5是复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的放电容量测试图，0.5C放电容量达154mAh/g。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：烧结工艺中，在有机包覆碳源对磷酸系锂离子正极材料进行包覆的基础上，烧结过程持续通入有机补充碳源。
2.一种复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：制备磷酸系锂离子正极材料；
步骤b：采用半透膜对磷酸系锂离子正极材料进行过滤分离；
步骤c：磷酸系锂离子正极材料中加入有机包覆碳源，溶解后进行干燥处理；
步骤d：将干燥后的磷酸系锂离子正极材料加入烧结炉进行烧结，烧结过程持续通入有机补充碳源；
步骤e：将烧结后的颗粒经过破碎、干燥和包装等工艺获得成品。
3.如权利要求1或2所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述有机补充碳源为甲醇、乙醇、丙醇、乙炔、丙炔、甲烷、乙烷、乙烯、丙烯和天然气中的一种或多种。
4.如权利要求1或2所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述有机补充碳源的通入量为0.5kg/h-2kg/h。
5.如权利要求1或2所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述磷酸系锂离子正极材料为磷酸铁锂或磷酸锰铁锂。
6.如权利要求2所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，采用水/溶剂热法制备磷酸系锂离子正极材料。
7.如权利要求6所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，通过调节水与有机溶剂的混合比来控制磷酸系锂离子正极材料的纳米颗粒尺寸。
8.如权利要求2所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤b中，半透膜为陶瓷膜。
9.如权利要求2所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤c中，有机包覆碳源为亲水性的糖类和芳香类有机化合物。
10.如权利要求2所述的复合碳源包覆纳米磷酸系锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤d中，烧结温度为600℃-800℃，烧结保温时间为6-12h。
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