CN116354323A - 磷酸铁锂正极材料、制备方法以及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种磷酸铁锂正极材料、制备方法以及锂离子电池,所述磷酸铁锂正极材料包括片状颗粒和粒状颗粒,其中,所述片状颗粒的数量占片状颗粒和粒状颗粒总数量的15%~45%。所述制备方法包括:将铁源、磷源、锂源以及碳源混合均匀并加入到分散介质中进行研磨处理,得到研磨后的浆料;在研磨后的浆料中加入晶面导向剂,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;对前驱体干粉进行烧结处理,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。
Description
技术领域
本申请属于锂离子电池技术领域,具体地,本申请涉及一种磷酸铁锂正极材料、制备方法以及锂离子电池。
背景技术
近年来,随着我国对新能源汽车推广力度的不断加大,具备绿色环保特性的纯电动汽车成为未来汽车产业发展的必然趋势,其将逐步取代传统燃油客车成为寻常百姓的日常出行交通工具。锂离子电池作为电动汽车的动力源,其各项性能的改进一直是业界关注的重点。
锂离子电池自问世以来,由于具备能量密度高、放电电压平稳、工作寿命长等优点,因此一直备受青睐。作为锂离子电池的重要组成部分,正极材料的选择直接关系到锂离子电池的性能表现。在常见的锂离子电池正极材料中,磷酸铁锂的应用非常广泛。磷酸铁锂属于正交晶系的橄榄石结构,其具有极其优异的循环性能和高温性能,但其较差的电子和离子导电性却导致了其低温性能和功率性能较差,从而难以满足动力电池对低温作业和功率方面的要求。
有鉴于此,需要提出一种磷酸铁锂正极材料的制备方法,以提高磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能。
发明内容
本申请实施例的一个目的是提供一种磷酸铁锂正极材料、制备方法以及锂离子电池的新技术方案。
根据本申请实施例的第一方面,提供了一种磷酸铁锂正极材料,所述磷酸铁锂正极材料包括片状颗粒和粒状颗粒,其中,所述片状颗粒的数量占片状颗粒和粒状颗粒总数量的15%~45%。
可选地,所述片状颗粒的数量占片状颗粒和粒状颗粒总数量的15%~35%。
可选地,所述片状颗粒中最短边的平均粒度为80~300nm;所述片状颗粒的平均厚度为50~100nm。
可选地,所述片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值范围为1~3。
可选地,所述粒状颗粒最短边的平均粒度为40~90nm。
可选地,所述粒状颗粒的长径比平均值为1~4。
可选地,所述磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.0-2.2g/cc。
根据本申请实施例的第二方面,提供了一种如第一方面所述磷酸铁锂正极材料的制备方法,所述方法包括:
将铁源、磷源、锂源以及碳源混合均匀并加入到分散介质中进行研磨处理,得到研磨后的浆料;
在研磨后的浆料中加入晶面导向剂,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
对前驱体干粉进行烧结处理,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。
可选地,所述铁源为无水磷酸铁、二水合磷酸铁、三氧化二铁、氯化铁和硝酸铁中的至少一种。
可选地,所述磷源为磷酸、磷酸铁、二水合磷酸铁、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸一氢锂、磷酸二氢铵和磷酸氢二胺中的至少一种。
可选地,所述锂源为碳酸锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、氢氧化锂和硝酸锂中的至少一种。
可选地,所述碳源为蔗糖、水溶性酚醛树脂、葡糖糖、聚乙二醇、羟甲基纤维素、聚丙烯酰胺、淀粉、聚乙烯醇、高导电碳管和石墨烯中的至少一种。
可选地,所述分散介质为去离子水、甲醇、乙醇和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
可选地,所述晶面导向剂为氯化镁、硝酸镁、硝酸铝、硝酸锆、氧化锆、钛酸四乙酯、钛酸乙酯、醋酸钴、硝酸钴、五氧化二钒、偏钒酸铵、硝酸锰、氯化锰、硫酸锰、二硫化钨、氯化锡、氧化锡、硫化钼、五氯化铌和氧化钼中的至少一种。
可选地,所述铁源、磷源及锂源的摩尔比为1:1:(1~1.05)。
可选地,所述铁源、磷源及锂源的摩尔比为1:1:(1~1.03)。
根据本申请实施例的第三方面,提供了一种锂离子电池,其特征在于,所述锂离子电池包括如第一方面所述的磷酸铁锂正极材料。
本申请实施例的一个技术效果在于:
本申请实施例提供了一种磷酸铁锂正极材料,该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合的分级结构,该磷酸铁锂正极材料在拥有良好高温性能的同时还兼具优异的低温性能和功率性能。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述,本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例,并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
图1是根据本申请实施例1获得的磷酸铁锂正极材料的扫描电子显微镜图;
图2是根据本申请实施例2获得的磷酸铁锂正极材料的扫描电子显微镜图;
图3是根据本申请实施例3获得的磷酸铁锂正极材料的扫描电子显微镜图;
图4是根据本申请实施例4获得的磷酸铁锂正极材料的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本申请实施例提供了一种磷酸铁锂正极材料,所述磷酸铁锂正极材料包括片状颗粒和粒状颗粒,其中,所述片状颗粒的数量占片状颗粒和粒状颗粒总数量的15%~45%。
在本申请实施例提供的磷酸铁锂正极材料中,片状颗粒和粒状颗粒组合形成了分级结构,其中,片状颗粒相比于粒状颗粒具有更小的比表面积,因此片状颗粒的存在有利于减少该磷酸铁锂正极材料表面副反应的发生,进而提高其高温储存性能和循环性能;同时由于锂离子沿垂直于片状颗粒的方向(即沿着片状颗粒的厚度方向)进行传输,传输路径较短,不影响该磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能的发挥。其次,由于粒状颗粒的存在,其粒度较小、锂离子扩散速度较快,进而有利于提高该磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能。因此,片状颗粒的数量占比越高,则该磷酸铁锂正极材料的高温循环性能和储存性能趋向越好;粒状颗粒的数量占比越高,则该磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能越好。在本申请实施例提供的磷酸铁锂正极材料中,将片状颗粒的数量控制为总数量的15%~45%,可以很好地均衡该磷酸铁锂正极材料的各项性能,使其在具备优越的高温循环性能和储存性能的同时,兼具良好的低温性能和功率性能。
在一个实施例中,进一步地,所述片状颗粒的数量占片状颗粒和粒状颗粒总数量的15%~35%。
在该具体的例子中,将片状颗粒的数量控制为总数量的15%~35%,可以更好地均衡该磷酸铁锂正极材料的各项性能,使其在具备优越的高温循环性能和储存性能的同时,兼具良好的低温性能和功率性能。
在一个实施例中,进一步地,所述片状颗粒中最短边的平均粒度为80~300nm;所述片状颗粒的平均厚度为50~100nm。
在该具体的例子中,当该磷酸铁锂正极材料的片状颗粒中最短边的平均粒度尺寸范围在80~300nm之间时,该磷酸铁锂正极材料的加工性能比较优越。
当片状颗粒的厚度范围在50~100nm时,有利于缩短锂离子的扩散路径,提高扩散速度,进而提高低温性能和功率性能。
在一个实施例中,进一步地,所述片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值范围为1~3。
在该具体的例子中,当片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值范围在1~3时,可在保证锂离子扩散路径较短的情况下,尽可能地降低比表面积,进而减少了表面副反应的发生,提升该磷酸铁锂正极材料的高温性能。
在一个实施例中,进一步地,所述粒状颗粒最短边的平均粒度为40~90nm。
在该具体的例子中,当粒状颗粒最短边的平均粒度在40~90nm的范围时,粒状颗粒的粒度较小,这样锂离子的扩散速度较快,有利于提高该磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能。
在一个实施例中,进一步地,所述粒状颗粒的长径比平均值为1~4。
在该具体的例子中,当粒状颗粒的长径比平均值在1~4的范围时,可以减少因长径比过大而导致的磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能下将的问题;以及避免在充放电循环过程中可能发生的晶面断裂而暴露出新的界面,进而引发新的副反应的发生;同时还有利于改善该磷酸铁锂正极材料的高温性能。
在一个实施例中,进一步地,所述磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.0-2.2g/cc。
在该具体的例子中,磷酸铁锂正极材料的压实密度在2.0-2.2g/cc的范围内,一般而言,压实密度和低温性能以及功率性能呈现出负相关的关系,即压实密度越大,其低温性能和功率性能越差。因此,在本实施例中,将磷酸铁锂正极材料的压实密度控制在2.0-2.2g/cc的范围内。一般情况下,采用本申请的制备方法获得的磷酸铁锂正极材料的压实密度的范围为2.0-2.2g/cc。
锂离子电池锂离子电池锂离子电池锂离子电池锂离子电池
本申请实施例还提供了一种如上所述磷酸铁锂正极材料的制备方法,所述方法包括:
S101、将铁源、磷源、锂源以及碳源混合均匀并加入到分散介质中进行研磨处理,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入晶面导向剂,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、对前驱体干粉进行烧结处理,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。
采用上述制备方法获得的磷酸铁锂正极材料具有以下特点:其呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合的分级结构。该磷酸铁锂正极材料的结构优势在于:首先,片状颗粒相比于粒状颗粒具有更小的比表面积,因此片状颗粒的存在有利于减少该磷酸铁锂正极材料表面副反应的发生,进而提高其高温储存性能和循环性能;同时由于锂离子沿垂直于片状颗粒的方向(即沿着片状颗粒的厚度方向)进行传输,传输路径较短,不影响该磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能的发挥。其次,由于粒状颗粒的存在,其粒度较小、锂离子扩散速度较快,进而有利于提高该磷酸铁锂正极材料的低温性能和功率性能。综上所述,该磷酸铁锂正极材料在拥有良好高温性能的同时还兼具优异的低温性能和功率性能。
在本申请实施例提供的磷酸铁锂正极材料的制备方法中,引入了晶面导向剂,晶面导向剂在特定的分散介质中,可以降低晶体沿{010}晶面的界面能垒,从而促进晶体沿{010}方向的生长,进而引发片状颗粒的形成;同时其产生的轧晶效应可以防止颗粒间的团聚长大。此外,在本申请实施例提供的磷酸铁锂正极材料的制备方法中,一方面由于研磨后的浆料的粒度较小,使颗粒的反应活性增高;另一方面由于界面能垒的降低,可以促使反应能下降,再通过干燥处理,在这个过程中诱发了部分晶体的反应,如上所述,晶体会优先沿{010}方向生长,从而导致了片状颗粒的形成。
进一步地,晶面导向剂的添加量将会影响到片状颗粒的数量;为了保证片状颗粒的数量控制为总数量的15%~45%,在制备方法的步骤S102中加入的晶面导向剂的添加量为0.1%~3%的质量百分比含量。
在一个实施例中,进一步地,所述铁源为无水磷酸铁、二水合磷酸铁、三氧化二铁、氯化铁和硝酸铁中的至少一种。
在一个实施例中,进一步地,所述磷源为磷酸、磷酸铁、二水合磷酸铁、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸一氢锂、磷酸二氢铵和磷酸氢二胺中的至少一种。
在一个实施例中,进一步地,所述锂源为碳酸锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、氢氧化锂和硝酸锂中的至少一种。
在一个实施例中,进一步地,所述碳源为蔗糖、水溶性酚醛树脂、葡糖糖、聚乙二醇、羟甲基纤维素、聚丙烯酰胺、淀粉、聚乙烯醇、高导电碳管和石墨烯中的至少一种。
进一步地,所述碳源的添加量为9%~16%,该添加量以上述所加入的磷源和铁源折算成磷酸铁的质量为基数。
在一个实施例中,进一步地,所述分散介质为去离子水、甲醇、乙醇和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
在一个实施例中,进一步地,所述晶面导向剂为氯化镁、硝酸镁、硝酸铝、硝酸锆、氧化锆、钛酸四乙酯、钛酸乙酯、醋酸钴、硝酸钴、五氧化二钒、偏钒酸铵、硝酸锰、氯化锰、硫酸锰、二硫化钨、氯化锡、氧化锡、硫化钼、五氯化铌和氧化钼中的至少一种。
在一个实施例中,进一步地,所述铁源、磷源及锂源的摩尔比为1:1:(1~1.05)。更进一步地,所述铁源、磷源及锂源的摩尔比为1:1:(1~1.03)。
步骤S101中所述的研磨处理具体为球磨处理或者砂磨处理;研磨处理的具体步骤可以分为粗磨和细磨,所述粗磨采用的锆球为0.5-0.6mm,所述细磨采用的锆球为0.05-0.3mm。所述研磨处理在5~15m/s的线速度条件下连续研磨0.5~12h。
步骤S102中的干燥处理为烘箱干燥、带式干燥中的任意一种。
步骤S103中的烧结处理为在650~760℃的温度下烧结5~10小时。
步骤S103中的粗碎为研钵研磨或者对辊处理。
步骤S103中的气流粉碎,其原理是施加一定压力的气流使颗粒间发生碰撞,使得由一次颗粒团聚构成的二次颗粒重新变为分散性较好的一次颗粒。
根据本申请的制备方法获得的磷酸铁锂用作锂离子电池的正极材料时,显示出优异的低温性能、功率性能、高温性能以及循环性能。所述优异的低温性能指锂离子电池在常温0.5C条件下进行充电,再在-20℃/1C条件下进行放电,其放电效率(放电容量/充电容量)高达65%~73%。所述优异的功率性能指锂离子电池在常温条件下的功率,15C放电倍率下其放电容量相比于0.2C放电倍率下的放电容量,保持率高达78%~83%。所述优异的高温性能是指锂离子电池在60℃条件下进行存储时的容量剩余率和容量恢复率;在储存7天的条件下,其容量剩余率和容量恢复率分别高达94~99%与99~100%。所述优异的循环性能是指锂离子电池在1C倍率下循环500圈,其容量保持率在99%以上。
本申请实施例又提供了一种锂离子电池,所述锂离子电池包括如上所述的磷酸铁锂正极材料。
以下通过具体实施例和对比例对本申请做进一步的说明:
实施例1
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的去离子水中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入40g的五氧化二钒,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料;参照图1所示,该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为35%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为162nm;片状颗粒的平均厚度为90nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为2.5;粒状颗粒最短边的平均粒度为62nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.8;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.01g/cc。
实施例2
S101、将0.5kg磷酸锂、0.96kg磷酸、1.0kg三氧化二铁以及200g的葡萄糖混合均匀并加入到10kg的去离子水中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入53g的氯化锡,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料;参照图2所示,该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为40%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为175nm;片状颗粒的平均厚度为95nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为2.0;粒状颗粒最短边的平均粒度为66nm,粒状颗粒的长径比平均值为2.1;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.05g/cc。
实施例3
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入50g的钛酸乙酯,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料;参照图3所示,该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为145nm;片状颗粒的平均厚度为82nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为55nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.03g/cc。
实施例4
S101、将0.5kg磷酸锂、0.96kg磷酸、1.0kg三氧化二铁以及200g的葡萄糖混合均匀并加入到10kg的甲醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入53g的五氯化铌,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料;参照图4所示,该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为37%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为168nm;片状颗粒的平均厚度为92nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为2.2;粒状颗粒最短边的平均粒度为64nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.9;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.12g/cc。
实施例5
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入10g五氯化铌,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为15%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为168nm;片状颗粒的平均厚度为92nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为2.2;粒状颗粒最短边的平均粒度为64nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.9;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.16g/cc。
实施例6
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入100g五氯化铌,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为45%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为168nm;片状颗粒的平均厚度为92nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为2.2;粒状颗粒最短边的平均粒度为64nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.9;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.02g/cc。
实施例7
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入92g钛酸乙酯,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为80nm;片状颗粒的平均厚度为82nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为55nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.03g/cc。
实施例8
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入15g钛酸乙酯,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为300nm;片状颗粒的平均厚度为82nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为55nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.18g/cc。
实施例9
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入115g钛酸乙酯,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为50nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为55nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.04g/cc。
实施例10
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入20g钛酸乙酯,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为100nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为55nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.17g/cc。
实施例11
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入32g钛酸乙酯,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为75nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.0;粒状颗粒最短边的平均粒度为55nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.10g/cc。
实施例12
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入36g偏钒酸铵,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为75nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为3.0;粒状颗粒最短边的平均粒度为55nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.16g/cc。
实施例13
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入134g五氧化二钒,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为75nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为40nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.05g/cc。
实施例14
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入20g五氧化二钒,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为75nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为90nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.6;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.18g/cc。
实施例15
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入85g五氯化铌,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为75nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为65nm,粒状颗粒的长径比平均值为4.0;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.03g/cc。
实施例16
S101、将0.93kg碳酸锂、3.75kg磷酸铁以及70g的蔗糖混合均匀并加入到10kg的乙醇中进行搅拌,待搅拌均匀后,加入到粗磨设备中粗磨30min,然后在细磨砂磨机中、在10m/s的线速度下砂磨2h,得到研磨后的浆料;
S102、在研磨后的浆料中加入16g五氯化铌,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
S103、之后将前驱体干粉在700℃的温度下煅烧8h,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。该磷酸铁锂正极材料呈现出包含片状颗粒和粒状颗粒组合而成的分级结构形貌。其中片状颗粒的数量占比为30%;其中,片状颗粒中最短边的平均粒度为170nm;片状颗粒的平均厚度为75nm;片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值为1.9;粒状颗粒最短边的平均粒度为65nm,粒状颗粒的长径比平均值为1.0;该磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.14g/cc。
对比例1
与实施例3相比,区别在于加入的钛酸乙酯的质量为300g,其余条件相同;所制得的磷酸铁锂正极材料中基本只包含片状颗粒。
对比例2
与实施例1相比,区别在于不加入五氧化二钒,其余条件相同;所制得的磷酸铁锂正极材料中只包含粒状颗粒。
对比例3
与实施例3相比,区别在于加入的钛酸乙酯的质量为6g,其余条件相同;所制得的磷酸铁锂正极材料包含片状颗粒和粒状颗粒,其中片状颗粒的数量占比为5%。
对比例4
与实施例3相比,区别在于加入的钛酸乙酯的质量为230g,其余条件相同;所制得的磷酸铁锂正极材料包含片状颗粒和粒状颗粒,其中片状颗粒的数量占比为60%。
对比例5
磷酸铁锂正极材料包含片状颗粒和粒状颗粒,其中磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.43g/cc。
电化学性能测试
将实施例1-实施例16及对比例1-对比例5中获得的磷酸铁锂正极材料分别制成锂离子电池,并对锂离子电池进行如下的电化学性能测试:
1)低温容量保持率测试:锂离子电池在室温0.1C倍率下,恒流充电至3.8V,然后在3.8V下恒压充电至电流为0.1C时截止;然后在0.1C下恒流放电至2.5V,接着再循环一次,再在0.5C倍率下恒流充电至3.8V,然后在3.8V下恒压充电至电流为0.1C时截止。将锂离子电池放入-20℃的冷柜中,在1C倍率下恒流放电至2.0V,此时-20℃下的放电容量与室温下0.5C的充电容量的比值即为锂离子电池的低温容量保持率;测试结果如下表1中所示。
表1:
实施例/对比例 | -20℃的低温容量保持率 |
实施例1 | 69% |
实施例2 | 65% |
实施例3 | 71% |
实施例4 | 67% |
实施例5 | 68% |
实施例6 | 65% |
实施例7 | 71.5% |
实施例8 | 69.5% |
实施例9 | 72.1% |
实施例10 | 70.1% |
实施例11 | 71.5% |
实施例12 | 66.5% |
实施例13 | 71.6% |
实施例14 | 67.9% |
实施例15 | 68% |
实施例16 | 72% |
对比例1 | 56% |
对比例2 | 61% |
对比例3 | 62% |
对比例4 | 64% |
对比例5 | 40% |
由表1可以得出,实施例1-实施例16对应的锂离子电池在-20℃的低温容量保持率最低为65%(实施例2、实施例6);对比例1-对比例5对应的锂离子电池在-20℃的低温容量保持率最高为64%(对比例4)。由此可见,实施例对应的锂离子电池相较对比例对应的锂离子电池,在-20℃的低温容量保持率更为优越。
2)放电容量保持率测试:锂离子电池在0.2C倍率下CCCV充电至3.8V,截止电流为0.02C;然后在15C倍率下CC放电至2.5V,15C倍率下的放电容量与0.2C倍率下的放电容量的比值即为15C倍率下的放电容量保持率;测试结果如下表2中所示。
表2:
由表2可以得出,实施例1-实施例16对应的锂离子电池15C倍率下的放电容量保持率最低为78%(实施例6);对比例1-对比例5对应的锂离子电池15C倍率下的放电容量保持率最高为76.2%(对比例4)。由此可见,实施例对应的锂离子电池相较对比例对应的锂离子电池,15C倍率下的放电容量保持率更为优越。
3)高温储存容量恢复率测试:将锂离子电池在0.1CCCV下充满电,然后将锂离子电池置于60℃的烘箱中储存7天,取出后在0.1C下放电至2.5V,接着在0.1CCCV下充电至3.8V,接着放电至2.5V;经过高温储存后的锂离子电池首次放电容量与储存前放电容量的比值为容量剩余率,后一个循环的放电容量与储存前的放电容量的比值即为锂离子电池的高温储存容量恢复率;测试结果如下表3中所示。
表3:
由表3可以得出,实施例1-实施例16对应的锂离子电池60℃、7天的容量剩余率最低为95.2%(实施例2),对比例1-对比例5对应的锂离子电池60℃、7天的容量剩余率最高为95.1%(对比例1、对比例2);实施例1-实施例16对应的锂离子电池60℃、7天的高温储存容量恢复率最低为98.5%(实施例7、实施例16),对比例1-对比例5对应的锂离子电池60℃、7天的高温储存容量恢复率最高为98.3%(对比例1)由此可见,实施例对应的锂离子电池相较对比例对应的锂离子电池,60℃、7天的容量剩余率以及60℃、7天的高温储存容量恢复率更为优越。
4)循环容量保持率测试:在常温条件下,在1C倍率下,锂离子电池经过500次充放电循环后,第500次的容量与第1次的容量的比值即为该锂离子电池的循环容量保持率;测试结果如下表4中所示。
表4:
实施例/对比例 | 1C、500次的循环容量保持率 |
实施例1 | 99.2% |
实施例2 | 99.0% |
实施例3 | 99.5% |
实施例4 | 99.1% |
实施例5 | 99.0% |
实施例6 | 99.3% |
实施例7 | 99.4% |
实施例8 | 99.6% |
实施例9 | 99.0% |
实施例10 | 99.6% |
实施例11 | 96.9% |
实施例12 | 99.6% |
实施例13 | 99.1% |
实施例14 | 99.5% |
实施例15 | 99.6% |
实施例16 | 97.8% |
对比例1 | 95.1% |
对比例2 | 91.1% |
对比例3 | 92.2% |
对比例4 | 94.1% |
对比例5 | 93.6% |
由表4可以得出,实施例1-实施例16对应的锂离子电池1C、500次的循环容量保持率最低为96.9%(实施例11);对比例1-对比例5对应的锂离子电池1C、500次的循环容量保持率最高为95.1%(对比例1)。由此可见,实施例对应的锂离子电池相较对比例对应的锂离子电池,1C、500次的循环容量保持率更为优越。
虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明,但是本领域的技术人员应该理解,以上例子仅是为了进行说明,而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解,可在不脱离本申请的范围和精神的情况下,对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。
Claims (17)
1.一种磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述磷酸铁锂正极材料包括片状颗粒和粒状颗粒,其中,所述片状颗粒的数量占片状颗粒和粒状颗粒总数量的15%~45%。
2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述片状颗粒的数量占片状颗粒和粒状颗粒总数量的15%~35%。
3.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述片状颗粒中最短边的平均粒度为80~300nm;所述片状颗粒的平均厚度为50~100nm。
4.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述片状颗粒中最长边的平均粒度与最短边的平均粒度的比值范围为1~3。
5.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述粒状颗粒最短边的平均粒度为40~90nm。
6.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述粒状颗粒的长径比平均值为1~4。
7.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述磷酸铁锂正极材料的压实密度为2.0-2.2g/cc。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
将铁源、磷源、锂源以及碳源混合均匀并加入到分散介质中进行研磨处理,得到研磨后的浆料;
在研磨后的浆料中加入晶面导向剂,搅拌均匀后进行干燥处理,获得前驱体干粉;
对前驱体干粉进行烧结处理,然后再经过粗碎、过筛和气流粉碎,即制得所述磷酸铁锂正极材料。
9.根据权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述铁源为无水磷酸铁、二水合磷酸铁、三氧化二铁、氯化铁和硝酸铁中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述磷源为磷酸、磷酸铁、二水合磷酸铁、磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸一氢锂、磷酸二氢铵和磷酸氢二胺中的至少一种。
11.根据权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述锂源为碳酸锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、氢氧化锂和硝酸锂中的至少一种。
12.根据权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述碳源为蔗糖、水溶性酚醛树脂、葡糖糖、聚乙二醇、羟甲基纤维素、聚丙烯酰胺、淀粉、聚乙烯醇、高导电碳管和石墨烯中的至少一种。
13.根据权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述分散介质为去离子水、甲醇、乙醇和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
14.根据权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述晶面导向剂为氯化镁、硝酸镁、硝酸铝、硝酸锆、氧化锆、钛酸四乙酯、钛酸乙酯、醋酸钴、硝酸钴、五氧化二钒、偏钒酸铵、硝酸锰、氯化锰、硫酸锰、二硫化钨、氯化锡、氧化锡、硫化钼、五氯化铌和氧化钼中的至少一种。
15.根据权利要求8所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述铁源、磷源及锂源的摩尔比为1:1:(1~1.05)。
16.根据权利要求15所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述铁源、磷源及锂源的摩尔比为1:1:(1~1.03)。
17.一种锂离子电池,其特征在于,所述锂离子电池包括如权利要求1-7中任一项所述的磷酸铁锂正极材料。
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