CN116864652A - 一种锂电池用磷酸铁锂复合材料及其制备方法和锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂电池用磷酸铁锂复合材料及其制备方法和锂电池，属于锂电池技术领域，包括正极片、锂离子选择透过性隔膜、负极片和电解液，其特征在于，所述正极片包括正极集流体和正极浆料，所述正极浆料包括磷酸铁锂复合材料、超导炭黑、聚偏氟乙烯和N‑甲基吡咯烷酮，正极集流体为光光铝箔，其中磷酸铁锂复合材料以碳酸锂、磷酸氢铵、硫酸亚铁、硫酸钴为原料水热法合成掺杂钴的磷酸铁锂材料，在经过碳与MOF的双层包覆制成，碳包覆在磷酸铁锂的金属三维框架上，复合材料的表面形成了多孔隙结构，提高了复合材料的比表面积，电子密度增大，而且MOF材料有着不错的电导率，附着在磷酸铁锂上能提高材料的导电性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种锂电池用磷酸铁锂复合材料及其制备方法和锂电池。
背景技术
随着能源的日益枯竭、环境污染的日益严重，人们对绿色高效能源的需求日益迫切，锂离子电池因重量轻、储能大、功率大、无二次污染、寿命长等突出的优点成为具有强大优势的新能源，为现今研究的重点。磷酸铁锂材料以其结构稳定、资源丰富、安全性能高、低温性能好等优点已成为最有前途的锂离子电池正极材料之一，但因磷酸铁锂材料受限于低的电子导电率而使其比容量偏低，限制了磷酸铁锂材料的应用领域。
目前磷酸铁锂材料主要采用固相法制备，并在其表面包覆碳而成，为提高磷酸铁锂材料及其电池的能量密度，需要在材料克容量和材料压实密度两个方面入手。掺杂技术是一种较好的提高材料克容量发挥的方法，但目前的掺杂处理方法对于提高材料克容量发挥方面有限，不能满足要求。如中国专利CN201010117451.5公开了一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法，将铁盐、锂盐掺杂元素化合物以及导电剂或导电剂前驱体按一定比例均匀混合，按传统固相法制备磷酸铁锂粗产品，再通过粗产品的酸溶细化再合成工艺，将第一步生成的磷酸铁锂颗粒溶解细化，在二次合成中获得颗粒细小、性能优良的磷酸铁锂，但此方法得到的磷酸铁锂材料克容量为145mAh/g，压实密度为2.3g/cm3，仍限制了其能量密度的发挥。中国专利201010522717.4公开了一种金属钛掺杂覆碳磷酸铁锂及其制备方法，将锂源、Fe2O3、TiO2和NH4H2PO4配料后加入丙酮后研磨、干燥，再加入柠檬酸的饱和水溶液制成流变相的前驱体，最后在惰性气氛下，煅烧制备出高容量、高振实密度的磷酸铁锂材料，但由于材料表面包覆的炭层使锂离子的导电率低，影响其倍率性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种锂电池用磷酸铁锂复合材料及其制备方法和锂电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种磷酸铁锂复合材料，通过如下步骤制备：
A1：按摩尔份计，取0.9～1.1份碳酸锂饱和溶液、1.8～2.2份磷酸氢铵饱和溶液、0.05～0.12份硫酸钴饱和溶液、抗坏血酸饱和溶液0.15～0.25份，与磷酸氢铵饱和溶液相同摩尔份数的饱和硫酸亚铁溶液，然后将四种溶液混合，调节混合后溶液的pH值至6.5～7.5，在搅拌条件下于90～100℃充分反应后，过滤得到中间体A；
A2：按重量份计，向前驱体A中加入5～10份葡萄糖，经超声搅拌后，再加入1～2份尿素继续搅拌20～40min，将混合物在高压反应釜内于温度80～120℃下保温3～6h，然后自然冷却到室温，经过滤、洗涤、烘干，最后放入管式炉内，以1～10℃/min的升温速率加热至300～500℃高温煅烧2～6小时，自然冷却到室温，得到中间体B；
A3：按重量份计，使用3-5份MOF材料对1份中间体B进行包覆，并经过湿法研磨混合分散后，再微波加热1～10min，然后转移到液氮中冷却收缩，最后自然降温至室温，粉碎、分级得到磷酸铁锂复合材料。
所述MOF材料通过如下步骤制成:
B1：取吡咯加入到体积分数为50％的乙醇溶液搅拌混合，移至冰浴，控制温度在0～5℃，滴加质量分数为40％的过硫酸铵溶液，反应24h，抽滤洗涤，50℃真空干燥24h得到聚吡咯，吡咯、乙醇溶液和过硫化铵溶液的体积比为1：80～120：20～30；
B2：按重量份计，取20份上述制备的聚吡咯和0.4～0.5份六水合硫酸铜加入到20～40份甲醇中，搅拌混合均匀，超声分散半小时，得到混合液a，取0.5～0.6份2-甲基咪唑加入到20～40份甲醇搅拌混合均匀得到混合液b，向混合液b中倒入混合液a，搅拌2h得到混合液c，将混合液c室温静置24小时，离心过滤沉淀物；
B3：按重量份计，取80～100份上述沉淀物和120～140份硫代乙酰胺加入到40～50份无水乙醇中搅拌2h得到混合液，混合液转至高压釜中，升温至120℃鼓风干燥4小时，冷却，离心过滤、洗涤，65℃干燥12小时得到MOF材料。
一种锂电池，所述锂电池包括正极片、负极片、锂离子选择性透过膜和电解液；
所述锂电池通过如下步骤制备：
S1：将磷酸铁锂复合材料、超导炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按重量比93～96：0.5～1.5：0.2～1：0.5～1：1.5～3的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在光铝箔上，经烘干、辊压、裁切制成正极片；
S2：将天然石墨、中间相炭微球、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和去离子水按照重量比89～93：2～4：1～3：1～2：1～2：3～5的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在铜箔上，经烘干、辊压、裁切制成负极片；
S3:将碳酸乙烯酯、环氧树脂模塑料和环氧树脂按照质量比2∶3∶5的比例混合制成混合液，将混合液与1.3mo l/L的Li PF6溶液按体积比1:4的比例混合制得电解液；
S4：将正、负极片和锂离子选择性透过膜进行卷绕焊接，注入电解液，封口等组装成锂电池。
本发明的有益效果：
本发明公开了一种锂电池用磷酸铁锂复合材料及其制备方法和锂电池，包括正极片、锂离子选择透过性隔膜、负极片和电解液，所述正极片包括正极集流体和正极浆料，所述正极浆料包括磷酸铁锂复合材料、超导炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮，正极集流体为光光铝箔。
其中磷酸铁锂复合材料以碳酸锂、磷酸氢铵、硫酸亚铁、硫酸钴为原料水热法合成掺杂钴的磷酸铁锂材料，在经过碳与MOF的双层包覆制成，碳包覆在磷酸铁锂的金属三维框架上，复合材料的表面形成了多孔隙结构，提高了复合材料的比表面积，电子密度增大，而且MOF材料有着不错的电导率，附着在磷酸铁锂上能提高材料的导电性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种MOF材料，通过如下步骤制成：
B1：取吡咯加入到体积分数为50％的乙醇溶液搅拌混合，移至冰浴，控制温度在0℃，滴加质量分数为40％的过硫酸铵溶液，反应24h，抽滤洗涤，50℃真空干燥24h得到聚吡咯，吡咯、乙醇溶液和过硫化铵溶液的体积比为1：80：20；
B2：按重量份计，取20份上述制备的聚吡咯和0.4份六水合硫酸铜加入到20份甲醇中，搅拌混合均匀，超声分散半小时，得到混合液a，取0.5份2-甲基咪唑加入到20份甲醇搅拌混合均匀得到混合液b，向混合液b中倒入混合液a，搅拌2h得到混合液c，将混合液c室温静置24小时，离心过滤沉淀物；
B3：按重量份计，取80份上述沉淀物和120份硫代乙酰胺加入到40份无水乙醇中搅拌2h得到混合液，混合液转至高压釜中，升温至120℃鼓风干燥4小时，冷却，离心过滤、洗涤，65℃干燥12小时得到MOF材料。
实施例2
一种MOF材料，通过如下步骤制成：
B1：取吡咯加入到体积分数为50％的乙醇溶液搅拌混合，移至冰浴，控制温度在3℃，滴加质量分数为40％的过硫酸铵溶液，反应24h，抽滤洗涤，50℃真空干燥24h得到聚吡咯，吡咯、乙醇溶液和过硫化铵溶液的体积比为1：100：25；
B2：按重量份计，取20份上述制备的聚吡咯和0.45份六水合硫酸铜加入到30份甲醇中，搅拌混合均匀，超声分散半小时，得到混合液a，取0.55份2-甲基咪唑加入到30份甲醇搅拌混合均匀得到混合液b，向混合液b中倒入混合液a，搅拌2h得到混合液c，将混合液c室温静置24小时，离心过滤沉淀物；
B3：按重量份计，取90份上述沉淀物和130份硫代乙酰胺加入到45份无水乙醇中搅拌2h得到混合液，混合液转至高压釜中，升温至120℃鼓风干燥4小时，冷却，离心过滤、洗涤，65℃干燥12小时得到MOF材料。
实施例3
一种MOF材料，通过如下步骤制成：
B1：取吡咯加入到体积分数为50％的乙醇溶液搅拌混合，移至冰浴，控制温度在5℃，滴加质量分数为40％的过硫酸铵溶液，反应24h，抽滤洗涤，50℃真空干燥24h得到聚吡咯，吡咯、乙醇溶液和过硫化铵溶液的体积比为1：120：30；
B2：按重量份计，取20份上述制备的聚吡咯和0.5份六水合硫酸铜加入到40份甲醇中，搅拌混合均匀，超声分散半小时，得到混合液a，取0.6份2-甲基咪唑加入到40份甲醇搅拌混合均匀得到混合液b，向混合液b中倒入混合液a，搅拌2h得到混合液c，将混合液c室温静置24小时，离心过滤沉淀物；
B3：按重量份计，取100份上述沉淀物和140份硫代乙酰胺加入到50份无水乙醇中搅拌2h得到混合液，混合液转至高压釜中，升温至120℃鼓风干燥4小时，冷却，离心过滤、洗涤，65℃干燥12小时得到MOF材料。
实施例4
一种磷酸铁锂复合材料，通过如下步骤制备：
A1：按摩尔份计，0.9份取碳酸锂饱和溶液、1.8份磷酸氢铵饱和溶液、0.05份硫酸钴饱和溶液、0.15份抗坏血酸饱和溶液，与磷酸氢铵饱和溶液相同摩尔份数的饱和硫酸亚铁溶液，然后将四种溶液混合，调节混合后溶液的pH值至6.5，在搅拌条件下于90℃充分反应后，过滤得到中间体A；
A2：按重量份计，向前驱体A中加入5份葡萄糖，经超声搅拌后，再加入1份尿素继续搅拌20min，将混合物在高压反应釜内于温度80℃下保温3h，然后自然冷却到室温，经过滤、洗涤、烘干，最后放入管式炉内，以1℃/min的升温速率加热至300℃高温煅烧2小时，自然冷却到室温，得到中间体B；
A3：按重量份计，使用3份实施例1所得MOF材料对1份中间体B进行包覆，并经过湿法研磨混合分散后，再微波加热1min，然后转移到液氮中冷却收缩，最后自然降温至室温，粉碎、分级得到磷酸铁锂复合材料。
实施例5
一种磷酸铁锂复合材料，通过如下步骤制备：
A1：按摩尔份计，取1.0份碳酸锂饱和溶液、2.0份磷酸氢铵饱和溶液、0.09份硫酸钴饱和溶液、0.2份抗坏血酸饱和溶液，与磷酸氢铵饱和溶液相同摩尔份数的饱和硫酸亚铁溶液，然后将四种溶液混合，调节混合后溶液的pH值至7.0，在搅拌条件下于95℃充分反应后，过滤得到中间体A；
A2：按重量份计，向前驱体A中加入8份葡萄糖，经超声搅拌后，再加入1.5份尿素继续搅拌30min，将混合物在高压反应釜内于温度100℃下保温4h，然后自然冷却到室温，经过滤、洗涤、烘干，最后放入管式炉内，以5℃/min的升温速率加热至400℃高温煅烧4小时，自然冷却到室温，得到中间体B；
A3：按重量份计，使用4份实施例2所得MOF材料对1份中间体B进行包覆，并经过湿法研磨混合分散后，再微波加热5min，然后转移到液氮中冷却收缩，最后自然降温至室温，粉碎、分级得到磷酸铁锂复合材料。
实施例6
一种磷酸铁锂复合材料，通过如下步骤制备：
A1：按摩尔份计，取1.1份碳酸锂饱和溶液、2.2份磷酸氢铵饱和溶液、0.12份硫酸钴饱和溶液、0.25份抗坏血酸饱和溶液，与磷酸氢铵饱和溶液相同摩尔份数的饱和硫酸亚铁溶液，然后将四种溶液混合，调节混合后溶液的pH值至7.5，在搅拌条件下于100℃充分反应后，过滤得到中间体A；
A2：按重量份计，向前驱体A中加入10份葡萄糖，经超声搅拌后，再加入2份尿素继续搅拌40min，将混合物在高压反应釜内于温度120℃下保温6h，然后自然冷却到室温，经过滤、洗涤、烘干，最后放入管式炉内，以10℃/min的升温速率加热至500℃高温煅烧6小时，自然冷却到室温，得到中间体B；
A3：按重量份计，使用5份实施例3所得MOF材料对1份中间体B进行包覆，并经过湿法研磨混合分散后，再微波加热10min，然后转移到液氮中冷却收缩，最后自然降温至室温，粉碎、分级得到磷酸铁锂复合材料。
实施例7
一种锂电池，通过如下步骤制备：
S1：将实施例4所得磷酸铁锂复合材料、超导炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按重量比93：0.5：0.2：0.5：1.5的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在光铝箔上，经烘干、辊压、裁切制成正极片；
S2：将天然石墨、中间相炭微球、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和去离子水按照重量比89：2：1：1：1：3的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在铜箔上，经烘干、辊压、裁切制成负极片；
S3:将碳酸乙烯酯、环氧树脂模塑料和环氧树脂按照质量比2∶3∶5的比例混合制成混合液，将混合液与1.3mo l/L的LiPF6溶液按体积比1:4的比例混合制得电解液；
S4：将正、负极片和锂离子选择性透过膜进行卷绕焊接，注入电解液，封口等组装成锂电池。
实施例8
一种锂电池，通过如下步骤制备：
S1：将实施例5所得磷酸铁锂复合材料、超导炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按重量比94：1：0.5：0.7：2.2的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在光铝箔上，经烘干、辊压、裁切制成正极片；
S2：将天然石墨、中间相炭微球、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和去离子水按照重量比91：3：2：1.5：1.6：3.8的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在铜箔上，经烘干、辊压、裁切制成负极片；
S3:将碳酸乙烯酯、环氧树脂模塑料和环氧树脂按照质量比2∶3∶5的比例混合制成混合液，将混合液与1.3mo l/L的LiPF6溶液按体积比1:4的比例混合制得电解液；
S4：将正、负极片和锂离子选择性透过膜进行卷绕焊接，注入电解液，封口等组装成锂电池。
实施例9
一种锂电池，通过如下步骤制备：
S1：将实施例6所得磷酸铁锂复合材料、超导炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按重量比96：1.5：1：1：3的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在光铝箔上，经烘干、辊压、裁切制成正极片；
S2：将天然石墨、中间相炭微球、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和去离子水按照重量比93：4：3：2：2：5的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在铜箔上，经烘干、辊压、裁切制成负极片；
S3:将碳酸乙烯酯、环氧树脂模塑料和环氧树脂按照质量比2∶3∶5的比例混合制成混合液，将混合液与1.3mo l/L的LiPF6溶液按体积比1:4的比例混合制得电解液；
S4：将正、负极片和锂离子选择性透过膜进行卷绕焊接，注入电解液，封口等组装成锂电池。
检测实施例7-9所得锂电池的能量密度和充放电可循环次数，具体数据如下表所示：
| 样品 | 能量密度(Wh/kg) | 循环次数 |
| 实施例7 | 162 | 9697 |
| 实施例8 | 165 | 9724 |
| 实施例9 | 167 | 9756 |
从上边可以看出本发明所得到的电池有着较高的能量密度，良好的电化学性能，充放电可循环次数较高，使用寿命长。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种锂电池用磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
A1：按摩尔份计，取0.9～1.1份碳酸锂饱和溶液、1.8～2.2份磷酸氢铵饱和溶液、0.05～0.12份硫酸钴饱和溶液、0.15～0.25份抗坏血酸饱和溶液，与磷酸氢铵饱和溶液相同摩尔份数的饱和硫酸亚铁溶液，然后将四种溶液混合，调节混合后溶液的pH值至6.5～7.5，在搅拌条件下于90～100℃充分反应后，过滤得到中间体A；
A2：按重量份计，向前驱体A中加入5～10份葡萄糖，经超声搅拌后，再加入1～2份尿素继续搅拌20～40min，将混合物在高压反应釜内于温度80～120℃下保温3～6h，然后自然冷却到室温，经过滤、洗涤、烘干，最后放入管式炉内，以1～10℃/min的升温速率加热至300～500℃高温煅烧2～6小时，自然冷却到室温，得到中间体B；
A3：按重量份计，使用3-5份MOF材料对1份中间体B进行包覆，并经过湿法研磨混合分散后，再微波加热1～10min，然后转移到液氮中冷却收缩，最后自然降温至室温，粉碎、分级得到磷酸铁锂复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池用磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，所述MOF材料通过如下步骤制成:
B1：取吡咯加入到体积分数为50％的乙醇溶液搅拌混合，移至冰浴，控制温度在0～5℃，滴加质量分数为40％的过硫酸铵溶液，反应24h，抽滤洗涤，50℃真空干燥24h得到聚吡咯，吡咯、乙醇溶液和过硫化铵溶液的体积比为1：80～120：20～30；
B2：按重量份计，取20份上述制备的聚吡咯和0.4～0.5份六水合硫酸铜加入到20～40份甲醇中，搅拌混合均匀，超声分散半小时，得到混合液a，取0.5～0.6份2-甲基咪唑加入到20～40份甲醇搅拌混合均匀得到混合液b，向混合液b中倒入混合液a，搅拌2h得到混合液c，将混合液c室温静置24小时，离心过滤沉淀物；
B3：按重量份计，取80～100份上述沉淀物和120～140份硫代乙酰胺加入到40～50份无水乙醇中搅拌2h得到混合液，混合液转至高压釜中，升温至120℃鼓风干燥4小时，冷却，离心过滤、洗涤，65℃干燥12小时得到MOF材料。
3.一种锂电池用磷酸铁锂复合材料，其特征在于，所述锂电池用磷酸铁锂复合材料由权利要求1所示的制备方法制备而成。
4.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池包括正极片、负极片、锂离子选择性透过膜和电解液；
所述锂电池通过如下步骤制备：
S1：将磷酸铁锂复合材料、超导炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按重量比93～96：0.5～1.5：0.2～1：0.5～1：1.5～3的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在光铝箔上，经烘干、辊压、裁切制成正极片；
S2：将天然石墨、中间相炭微球、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和去离子水按照重量比89～93：2～4：1～3：1～2：1～2：3～5的比例加入到搅拌罐中，设置搅拌速度为30转/分钟，分散速度为2000转/分钟，搅拌120min得到正极浆料，涂抹在铜箔上，经烘干、辊压、裁切制成负极片；
S3:将碳酸乙烯酯、环氧树脂模塑料和环氧树脂按照质量比2∶3∶5的比例混合制成混合液，将混合液与1.3mol/L的LiPF6溶液按体积比1:4的比例混合制得电解液；
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