CN111646451A - 一种锂离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的属于电池生产技术领域,具体为一种锂离子电池正极材料及其制备方法,该锂离子电池正极材料的制备方法如下:步骤一:通过控制结晶技术合成高密度磷酸铁前驱体;步骤二:与锂源、碳源混合在氨水环境中加热;步骤三:通过碳热还原法合成磷酸锂铁,所述步骤一中结晶技术具体为控制三价铁盐与磷酸盐的反应结晶量,所述步骤二中加热的具体方法为将氨水加热后,与锂源和碳源混合,再同步进行冷却,通过在制备的磷酸铁锂材料,提高电池正极的堆积密度,从而有效的提高了锂离子电池的容量,同时降低了锂离子电池的体积,方便在不同环境下的使用。

Description

一种锂离子电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池生产技术领域,具体为一种锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
“锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时,M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。
锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
现有的锂电池中一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液,此种正极材料的充放电的速度较慢,使用在设备上,造成整体设备的充放电时间延长,且在使用时二氧化锰材料不能够在非常温常压环境下使用,造成使用范围降低,不利于使用。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和现有锂离子电池正极材料中存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明的目的是提供一种锂离子电池正极材料及其制备方法,能够提高锂离子电池的充放电效率,提高充电速度的同时提高使用范围,方便异常环境的使用。
为解决上述技术问题,根据本发明的一个方面,本发明提供了如下技术方案:
一种锂离子电池正极材料,该正极材料的制备原料由三价铁盐、磷酸盐、氨水、锂源和碳源组成。
作为本发明所述的一种锂离子电池正极材料的一种优选方案,其中:所述锂源由碳酸锂和氢氧化锂任意一种或几种组成,所述碳源为碳粉。
作为本发明所述的一种锂离子电池正极材料的一种优选方案,其中:所述三价铁盐具体为Fe2O3或LiH2PO4任意一种或几种组成。
作为本发明所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法的一种优选方案,其中:该锂离子电池正极材料的制备方法如下:
步骤一:通过控制结晶技术合成高密度磷酸铁前驱体;
步骤二:与锂源、碳源混合在氨水环境中加热;
步骤三:通过碳热还原法合成磷酸锂铁。
作为本发明所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法的一种优选方案,其中:所述步骤一中结晶技术具体为控制三价铁盐与磷酸盐的反应结晶量。
作为本发明所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法的一种优选方案,其中:所述步骤二中加热的具体方法为将氨水加热后,与锂源和碳源混合,再同步进行冷却。
作为本发明所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法的一种优选方案,其中:所述步骤三中具体方法为将冷却的物体在箱式烧结炉中,通过氨水加热到700℃烧结。
与现有技术相比:现有的锂电池中一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液,此种正极材料的充放电的速度较慢,使用在设备上,造成整体设备的充放电时间延长,且在使用时二氧化锰材料不能够在非常温常压环境下使用,造成使用范围降低,不利于使用,本申请文件中,通过在制备的磷酸铁锂材料,提高电池正极的堆积密度,从而有效的提高了锂离子电池的容量,同时降低了锂离子电池的体积,方便在不同环境下的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本发明一种锂离子电池正极材料及其制备方法的流程结构示意图;
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
其次,本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施方式时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种锂离子电池正极材料,该正极材料的制备原料由三价铁盐、磷酸盐、氨水、锂源和碳源组成。
其中,所述锂源由碳酸锂,所述碳源为碳粉。
其中,所述三价铁盐具体为Fe2O3
其中,该锂离子电池正极材料的制备方法如下:
步骤一:通过控制结晶技术合成高密度磷酸铁前驱体;
步骤二:与锂源、碳源混合在氨水环境中加热;
步骤三:通过碳热还原法合成磷酸锂铁。
其中,所述步骤一中结晶技术具体为控制三价铁盐与磷酸盐的反应结晶量,控制结晶的方法有以下几种:
(1)温度控制法
a、熔融温度,熔融温度越低,越有利于均相成核的晶核形成,增加晶体生长点,即可以提高结晶度,又可以使晶体尺寸减小。所以在具体加工过程中在保证塑化成型前提下,熔融温度稍低一点,对结晶有利。
b、冷却温度,冷却温度对结晶度及结晶质量影响最大,是控制结晶的最有效方缓慢冷却,可使塑料在结晶区内停留时间加长,从而使结晶度升高,但缓慢冷却却容易产生粗大的球晶,对韧性不利而对刚性及硬度有利。
快速冷却,一方面使塑料迅速经过结晶区域,从而降低结晶度;另一方而由于晶体生长时间短,也使结晶尺寸变细,有利于透明性及韧性的改善。
在实际应用中,采取缓冷还是快冷,视产品性能需要而定。如果要求产品的透明度高,则需快速冷却;如果要求产品刚性及硬度高,则需缓慢冷却。
(2)成核剂控制法
成核剂的加入主要是促进异相成核,增加晶体生长点,使结晶度提高,并使晶体颗粒变细、从而改善冲击强度、屈服强度及光泽等。
成核剂有无机类、有机类及高分子三类。
a、无机成核剂无机成核剂以滑石粉为主,同时包括:CaCO3、云母、无机颜料等。这类成核剂对塑料透明性有影响,因而应限制其在透明制品中的用量。
b、有机成核剂有机成核剂主要有:钠、镁、铝、钛等金属芳香羧酸盐,有机磷酸盐、山梨酵糖类等。
c、有机高分子成核剂有机高分子成核剂为一些高熔点的聚合物,如乙烯基环烷烃可只于PP等。
值得注意的是,近来发现,成核剂不仅使晶体尺寸变细,还可以决定具体的晶型种类。以PP为例,在其制品成型过程中加入的β型成核剂,可以促进口品列的生成,最高可使β晶型含量达到85%"95%。常用的β型成核剂有:喹叮啶酮染料、水久红E3B、DACP(有机羧酸盐与金属盐复合成核剂)等。
(3)拉伸控制法
对已经结晶的塑料薄膜及片材类制品进行拉伸,可以使晶体破碎而形成尺寸细小的晶体,并沿拉伸方向形成串晶,从而可以改善其制品韧性,并大幅度提高拉伸强度、光泽度、硬度、阻隔能力等性能。拉伸方法即可以改变塑料结晶质量,也可以提高其结晶度。
(4)热处理控制法
热处理一方面可进一步促进结晶而增大结晶度;另一方面可完善结晶质量,使匆忙结晶而留下的结晶缺陷得到充分的修补。
热处理还可使结晶内的不同品型发生互相转化。如对含有β晶型的PP制品,在熔点以上进行热处理会全部熔解,再结晶时,将转化为α晶型,而拟六方晶型在70C以上热处理即可以转变成α晶型。
以PA6为例,对其制品进行热处理后,其各种性能变化如下:
a、拉伸强度在热处理温度为120-180℃及保温时间为10-120min时,拉伸强度随处理温度的提高及保温时间的延长而提高,最大变化幅度可达到10%左右。
b、冲击强度在保温时间4h、处理温度从120℃提高到140℃时,冲击强度下降近60%。但温度超过140℃后,下降则平稳。在温度为180时,保温时间从10min延长到30min时,冲击强度也下降60%。保温时间超过30min后,下降则平缓。
c、硬度在一定范围内,随热处理温度升高及保压时间延长,硬度有所缓慢提高,提高幅度最高可达10%左右。
d、结晶度热处理可以促进二次结晶,因而可提高结晶度。在保温4h前提下随热处理温度升高,结晶度不断升高;开始稍快一些,超过140℃后,稍缓一些。在热处理温度为180℃前提下,随保温时间延长,开始结晶度不变;但保温时司超过120min后,结晶度迅速增大。
综上考虑,三价铁盐与磷酸盐的反应结晶量通过温度控制法控制。
其中,所述步骤二中加热的具体方法为将氨水加热后,与锂源和碳源混合,再同步进行冷却。
其中,所述步骤三中具体方法为将冷却的物体在箱式烧结炉中,通过氨水加热到700℃烧结。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述,然而在不脱离本发明的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用,在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此,本发明并不局限于文中公开的特定实施方式,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种锂离子电池正极材料,其特征在于:该正极材料的制备原料由三价铁盐、磷酸盐、氨水、锂源和碳源组成。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料,其特征在于:所述锂源由碳酸锂和氢氧化锂任意一种或几种组成,所述碳源为碳粉。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料,其特征在于:所述三价铁盐具体为Fe2O3或LiH2PO4任意一种或几种组成。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法,其特征在于:该锂离子电池正极材料的制备方法如下:
步骤一:通过控制结晶技术合成高密度磷酸铁前驱体;
步骤二:与锂源、碳源混合在氨水环境中加热;
步骤三:通过碳热还原法合成磷酸锂铁。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤一中结晶技术具体为控制三价铁盐与磷酸盐的反应结晶量。
6.根据权利要求4所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤二中加热的具体方法为将氨水加热后,与锂源和碳源混合,再同步进行冷却。
7.根据权利要求4所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤三中具体方法为将冷却的物体在箱式烧结炉中,通过氨水加热到700℃烧结。
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