CN114843474A - 一种高倍率锂离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，该制备方法为锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物为原料按照比例进行液相混合，并加入成核控制剂，通过无机酸或液碱来调节混合液pH值，最后将反应容器密封后置于140～240℃下反应，反应完成后将生成的沉淀物经过洗涤、干燥后得到前驱体粉末；将获得的前驱体粉末、含碳有机物和金属触媒进行均匀混合，并通过喷雾干燥得到混合粉末；在保护气氛围下，将得到的混合粉末进行煅烧，将含碳有机物碳化后，自然冷却至室温，再经过研磨、过筛，制得锂离子电池正极材料正极材料粉末。本发明采用液相法合成，各元素可以达到原子级别混合，有利于元素均相反应，能够有效提升最终产物的一致性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料化学领域，尤其是锂离子电池正极材料领域，特别涉及一种高倍率锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，并且正极材料的性能直接影响了锂电池的各项性能指标，决定了电池性能的高低，所以很多研究者们致力于研发出性能更高的正极材料，常见的锂电池正极材料有：例如锂镍氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物等。锂镍氧化物主要代表为镍酸锂，产品特性和镍钴氧化物类似，但价格比镍钴氧化物价格低，因其能量密度大，可以达到274mAh/g，是比较理想的高能量密度的锂离子电池正极材料，但是其安全性能太差，而且循环次数比较低。
锂钴氧化物主要代表为钴酸锂，具有五高的特点，即高能量密度，高价格，高功率，高商业化程度，高循环寿命，不足也很明显，我国钴盐严重缺乏，钴盐需要进口。锂钛氧化物典型的代表是钛酸锂，钛酸锂的优势是快充、安全、循环次数可以达到2万次，劣势是能量密度小，无法通过技术来改变。
镍钴多元氧化物是我们常说的多元氧化物，目前最为常见的有镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂，其中镍钴锰酸锂又分为镍钴锰酸锂111，镍钴锰酸锂523，镍钴锰酸锂622，镍钴锰酸锂811，但是镍钴铝酸锂没那么普及，该技术路线大多处于探索阶段。锂锰氧化物主要代表为锰酸锂，高锰酸锂，资源在我国境内比较丰富，而且产品目前也是研究的热点，产品无污染，安全性能良好，其中锰酸锂有着其较高的能量密度，但是稳定性却大大降低，尤其是在高温条件下，锰酸锂不稳定。锂铁磷氧化物的主要代表为磷酸铁锂，其产品各方性能均衡，无毒无污染，循环次数不低于2000次，安全性能属于高级别等级。但是磷酸铁锂材料的导电性较差，振实密度较低，导致体积能量密度较低，限制了其进一步的应用。
目前，提升磷酸铁锂材料电化学性能的主要从如下几个方面：材料的纳米化，减小材料的粒径，缩短锂离子扩散距离；改变材料的表面形貌，缩短锂离子传输路径锂离子；表面包覆改性，提高材料的传导电子的能力；离子掺杂改性，提高材料的本证电子电导率。
现有技术主要是采用材料的纳米化、表面碳包覆和离子掺杂改性来提高材料的电化学性能，产业化生产磷酸铁锂正极材料主流工艺主要采用磷酸铁高温固相工艺，通过砂磨机进行长时间物理研磨磷酸铁前驱体，以此来控制正极材料的粒径大小，后续在前驱体烧结过程中控制磷酸铁锂材料。
为了更好的提升磷酸铁锂材料电化学性能，特此提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池正极材料的制备方法。
为了实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：以锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物为原料按照比例进行液相混合，并加入成核控制剂，通过无机酸或液碱来调节混合液pH值在8.0～12.0之间，最后将反应容器密封后置于140～240℃下反应5～24小时，反应完成后将生成的沉淀物经过洗涤、干燥后得到前驱体粉末；
步骤二：将步骤一获得的前驱体粉末、含碳有机物和金属触媒进行均匀混合，并通过喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：在保护气氛围下，将步骤二得到的混合粉末进行高温煅烧，将含碳有机物碳化后，自然冷却至室温，再经过研磨、过筛，制得LiFePO4/C锂离子电池正极材料粉末。
进一步地，锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物Li、Fe、P元素摩尔比为1～1.05：1.0：1.0。
进一步地，锂源化合物为Li2CO3、LiNO3、LiOH中的一种或多种的混合物；铁源化合物为FeC2O4、FeSO4、FeCl2、Fe(NO3)2中的一种或多种的混合物；磷源化合物为H3PO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4中的一种或多种的混合物。
进一步地，成核控制剂主要由阴阳离子两部分组成，其中阳离子为
的一种或多种的混合物，阴离子为Cl－、Br－、I－、[AlCl4]－、[Al2Cl7]－、[Al3Cl10]－、[PF6]－、[PF3(C2F5)3]－、[BF4]－、[CF3CO2]－、[CF3SO3]－、[(CF3SO2)2N]－、[HSO4]－、[RSO3]－、[H2PO4]－、[CH3CO2]－、[N(CN)2]－、[C(CN)3]－、[B(CN)4]－中的一种。
进一步地，成核控制剂与水的体积比为0.1％～20％。
进一步地，含碳有机物选自葡萄糖、蔗糖、抗坏血酸、聚乙烯醇、淀粉、柠檬酸、琼脂糖中的一种或多种的混合物。
进一步地，前驱体、含碳有机物和金属触媒的质量比为100：1～20：0.1～1。
进一步地，金属触媒选自铁盐、钴盐、镍盐中的一种或多种的混合物。
进一步地，所述保护气气体为N2、Ar、Ar/H2中的一种或多种的混合物。
进一步地，煅烧的条件为400～800℃下热处理1～24小时。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用液相法合成，各元素可以达到原子级别混合，有利于元素的均相反应，能够有效提升最终产物的一致性能。
2.本发明通过引入成核控制剂辅助磷酸铁锂成核生长，通过引入成核控制剂来降低溶剂的表面张力，辅助磷酸铁锂成核定向生长，并提高成核速率和纳米离子的稳定性，过调控溶剂比例从而制备出微观形貌为薄片状磷酸铁锂正极材料颗粒，有效缩短了正极材料锂离子迁移路径。
3.本发明通过调控成核控制剂比例从而制备出微观形貌为薄片状磷酸铁锂正极材料颗粒，该方法制备的磷酸铁锂材料有效缩短了正极材料锂离子迁移距离，更加有利于锂离子在固相迁移过程中锂离子的扩散，从而提高磷酸铁锂正极材料的电化学性能。
4.本发明通过喷雾干燥制备工艺，能够使含碳化合物和金属触媒均匀分散在前驱体颗粒表面，进一步促使后续煅烧形成高度石墨化均匀碳层，提高正极材料的导电性能。
5.本发明提供的LiFePO4/C复合正极材料表面碳包覆均匀，具有优异的电化学性能，材料克容量可达160mAh/g以上，首次库伦效率大于95％，高倍率放电性能优异。
附图说明
图1为实施例1所得材料的SEM图像，图中标尺大小为1μm。
图2为实施例1所得材料的SEM图像，图中标尺大小为500nm。
图3为实施例1和对比例所得材料的XRD图谱。
图4为实施例1所得材料倍率性能曲线图。
图5为实施例1所得材料又一倍率性能曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图内容对本发明作进一步的阐述，以使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案。
对比例1
步骤一：准备原料LiOH溶液、H3PO4溶液和FeSO4溶液，原料中Li:Fe:P元素的摩尔比为1.0:1.0:1.0，锂离子浓度为0.5mol/L；将LiOH溶液、H3PO4溶液和FeSO4溶液在容器中混合，通过H3PO4溶液或LiOH溶液来调节混合液pH值在8，将反应容器密封后置于140℃下反应5小时，反应完成后将生成的沉淀物用去离子水清洗，得到的沉淀物在100℃条件下干燥5小时后得到灰白色粉末；
步骤二：将上述获得灰白色粉末、葡萄糖和硫酸钴按照质量比200：5：0.5加入去离子水中，混合2小时后进行喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：将喷雾干燥的粉末在H2/Ar混合气体的保护下于700℃条件下热处理8小时后自然冷却至室温，研细，过筛，即得到LiFePO4/C复合正极材料。
实施例1
步骤一：准备原料LiOH溶液、H3PO4溶液和FeSO4溶液，原料中Li:Fe:P元素的摩尔比为1.0:1.0:1.0，锂离子浓度为0.5mol/L；将LiOH溶液、H3PO4溶液和FeSO4溶液在容器中混合，在容器中加入溴化1-已基-3-甲基咪唑混合均匀，溴化1-已基-3-甲基咪唑与水的体积比为1：9，通过H3PO4溶液或LiOH溶液来调节混合液pH值在8，将反应容器密封后置于140℃下反应5小时，反应完成后将生成的沉淀物用去离子水清洗，得到的沉淀物在100℃条件下干燥5小时后得到灰白色粉末；
步骤二：将上述获得灰白色粉末、葡萄糖和硫酸钴按照质量比200：5：0.5加入去离子水中，混合2小时后进行喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：将喷雾干燥的粉末在H2/Ar混合气体的保护下于700℃条件下热处理8小时后自然冷却至室温，研细，过筛，即得到LiFePO4/C复合正极材料。
参照图1、图2，为本实施例制备的LiFePO4/C复合正极材料SEM图像，从图中可知，本发明通过调控成核控制剂比例从而制备出微观形貌为薄片状磷酸铁锂正极材料颗粒，LiFePO4/C复合正极材料表面碳包覆均匀，该方法制备的磷酸铁锂材料有效缩短了正极材料锂离子迁移距离，更加有利于锂离子在固相迁移过程中锂离子的扩散，从而提高磷酸铁锂正极材料的电化学性能。
图3为本实施例和对比例的XRD图谱，S1为实施例1曲线，S2为对比例的曲线。通过对比可知，实施例1的方法有加入成核控制剂，对比例没有加入成核控制剂，实施例1产生的LiFePO4/C复合正极材料克容量比较大。
图4为实施例1所得材料倍率性能曲线图，S1为实施例1曲线，S2为对比例的曲线，通过对比可知，在一样的循环次数后，本实施例的循环稳定性高。
图5为实施例1所得材料又一性能曲线图，高倍率放电性能优异。
实施例2
步骤一：准备原料LiOH溶液、(NH4)2HPO4溶液和Fe(NO3)2溶液，原料中Li:Fe:P元素的摩尔比为1.0:1.0:1.0，锂离子浓度为0.5mol/L；将LiOH溶液、(NH4)2HPO4溶液和Fe(NO3)2溶液在容器中混合，在容器中加入1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯混合均匀，1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯与水的体积比为1：5，通过(NH4)2HPO4溶液或LiOH溶液来调节混合液pH值在12，将反应容器密封后置于240℃下反应24小时，反应完成后将生成的沉淀物用去离子水清洗，得到的沉淀物在100℃条件下干燥5小时后得到灰白色粉末；
步骤二：将上述获得灰白色粉末、葡萄糖和硫酸钴按照质量比200：20：0.5加入去离子水中，混合2小时后进行喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：将喷雾干燥的粉末在H2/Ar混合气体的保护下于700℃条件下热处理8小时后自然冷却至室温，研细，过筛，即得到LiFePO4/C复合正极材料。
实施例3
步骤一：准备原料LiOH溶液、(NH4)2HPO4溶液和Fe(NO3)2溶液，原料中Li:Fe:P元素的摩尔比为1.0:1.0:1.0，锂离子浓度为0.5mol/L；将LiOH溶液、(NH4)2HPO4溶液和Fe(NO3)2溶液在容器中混合，在容器中加入溴化1-已基-3-甲基咪唑混合均匀，溴化1-已基-3-甲基咪唑与水的体积比为1：5，通过(NH4)2HPO4溶液或LiOH溶液来调节混合液pH值在12，将反应容器密封后置于240℃下反应24小时，反应完成后将生成的沉淀物用去离子水清洗，得到的沉淀物在100℃条件下干燥5小时后得到灰白色粉末；
步骤二：将上述获得灰白色粉末、葡萄糖和硫酸钴按照质量比200：20：0.5加入去离子水中，混合2小时后进行喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：将喷雾干燥的粉末在H2/Ar混合气体的保护下于700℃条件下热处理8小时后自然冷却至室温，研细，过筛，即得到LiFePO4/C复合正极材料。
实施例4
步骤一：准备原料LiOH溶液、H3PO4溶液和Fe(NO3)2溶液，原料中Li:Fe:P元素的摩尔比为1.0:1.0:1.0，锂离子浓度为0.5mol/L；将LiOH溶液、(NH4)2HPO4溶液和Fe(NO3)2溶液在容器中混合，在容器中加入溴化1-已基-3-甲基咪唑混合均匀，溴化1-已基-3-甲基咪唑与水的体积比为1：4，通过(NH4)2HPO4溶液或LiOH溶液来调节混合液pH值在12，将反应容器密封后置于240℃下反应24小时，反应完成后将生成的沉淀物用去离子水清洗，得到的沉淀物在100℃条件下干燥5小时后得到灰白色粉末；
步骤二：将上述获得灰白色粉末、葡萄糖和硫酸钴按照质量比200：20：0.5加入去离子水中，混合2小时后进行喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：将喷雾干燥的粉末在H2/Ar混合气体的保护下于700℃条件下热处理8小时后自然冷却至室温，研细，过筛，即得到LiFePO4/C复合正极材料。
实施例5
步骤一：准备原料LiOH溶液、H3PO4溶液和Fe(NO3)2溶液，原料中Li:Fe:P元素的摩尔比为1.0:1.0:1.0，锂离子浓度为0.5mol/L；将LiOH溶液、(NH4)2HPO4溶液和Fe(NO3)2溶液在容器中混合，在容器中加入溴化1-已基-3-甲基咪唑混合均匀，溴化1-已基-3-甲基咪唑与水的体积比为1：4，通过H3PO4溶液或LiOH溶液来调节混合液pH值在12，将反应容器密封后置于240℃下反应24小时，反应完成后将生成的沉淀物用去离子水清洗，得到的沉淀物在100℃条件下干燥5小时后得到灰白色粉末；
步骤二：将上述获得灰白色粉末、蔗糖和硫酸铁按照质量比200：20：0.5加入去离子水中，混合2小时后进行喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：将喷雾干燥的粉末在H2/Ar混合气体的保护下于700℃条件下热处理8小时后自然冷却至室温，研细，过筛，即得到LiFePO4/C复合正极材料。
对比例
步骤一：准备原料LiOH溶液、H3PO4溶液和FeSO4溶液，原料中Li:Fe:P元素的摩尔比为1.0:1.0:1.0，锂离子浓度为0.5mol/L；将LiOH溶液、H3PO4溶液和FeSO4溶液在容器中混合，通过H3PO4溶液或LiOH溶液来调节混合液pH值在12，将反应容器密封后置于220℃下反应12小时，反应完成后将生成的沉淀物用去离子水清洗，得到的沉淀物在100℃条件下干燥5小时后得到灰白色粉末；
步骤二：将上述获得灰白色粉末、蔗糖按照质量比100：10加入去离子水中，混合2小时后进行喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：将喷雾干燥的粉末在H2/Ar混合气体的保护下于700℃条件下热处理8小时后自然冷却至室温，研细，过筛，即得到LiFePO4/C复合正极材料。
以上所述实例仅是本专利的优选实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，根据本专利的技术方案及其专利构思，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：以锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物为原料按照比例进行液相混合，并加入成核控制剂，通过无机酸或液碱来调节混合液pH值在8.0～12.0之间，最后将反应容器密封后置于140～240℃下反应5～24小时，反应完成后将生成的沉淀物经过洗涤、干燥后得到前驱体粉末；
步骤二：将步骤一获得的前驱体粉末、含碳有机物和金属触媒进行均匀混合加入到去离子水中，混合一段时间后通过喷雾干燥得到混合粉末；
步骤三：在保护气氛围下，将步骤二得到的混合粉末进行煅烧，将含碳有机物碳化后，自然冷却至室温，再经过研磨、过筛，制得含LiFePO4/C锂离子电池正极材料正极材料粉末。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述锂源化合物、铁源化合物、磷源化合物Li、Fe、P元素摩尔比为(1～1.05)：1.0：1.0。
3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述锂源化合物为Li2CO3、LiNO3或LiOH中的一种或多种的混合物；铁源化合物为FeC2O4、FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2中的一种或多种的混合物；磷源化合物为H3PO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述成核控制剂主要由阴阳离子两部分组成，其中阳离子为
的一种或多种的混合物，阴离子为Cl-、Br－、I－、[AlCl4]－、[Al2Cl7]－、[Al3Cl10]－、[PF6]－、[PF3(C2F5)3]－、[BF4]－、[CF3CO2]－、[CF3SO3]－、[(CF3SO2)2N]－、[HSO4]－、[RSO3]－、[H2PO4]－、[CH3CO2]－、[N(CN)2]－、[C(CN)3]－、[B(CN)4]－中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述成核控制剂与水的体积比为0.1％～20％。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述含碳有机物选自葡萄糖、蔗糖、抗坏血酸、聚乙烯醇、淀粉、柠檬酸、琼脂糖中的一种或多种的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述前驱体、含碳有机物和金属触媒的质量比为100：1～20：0.1～1。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述金属触媒选自铁盐、钴盐、镍盐中的一种或多种的混合物。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述保护气气体为N2、Ar、Ar/H2中的任意一种或几种混合物。
10.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：煅烧的条件为400～800℃下热处理1～24小时。
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