CN1410349A - 一种橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于材料制备技术领域的一种橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法。其LiFePO4粉体是以Fe(Ac)2、FeSO4、7H2O、Ba(Ac)2及有机酸为原料,采用溶胶—凝胶法合成,本发明的制备过程时间短,烧成温度低,能耗低,无污染;制备的多晶LiFePO4粉体具有颗粒细小,均匀,直接在还原性气氛下烧成,可得到硬性碳包覆的LiFePO4粉体,故此不需进行后期的包覆处理即可改善材料的电子导电性能。合成温度350℃~800℃之间可调,可得到粒径在几个微米的粉体材料。颗粒分布窄、纯度高(除LiFePO4和包覆的硬性碳外没有杂相)、材料导电性好,适合制作锂离子电池。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域,特别涉及一种橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法。
背景技术
LiFePO4材料具有便宜、无毒、不吸潮、环境相容性很好、矿藏丰富、容量较高(理论容量为170mAh/g,能量密度为550Wh/Kg)、稳定性很好等特点。是一种最具潜力的锂电池正极材料替代材料。具有广泛的应用前景和很大的市场需求。目前已有几种合成方法:
固相合成法:JP2000294238以草酸亚铁,碳酸锂以及磷酸氢二铵作为初始物质混合后长时间高温煅烧。EP1193786以磷酸锂,磷酸亚铁为初始物质混合煅烧。这种固相合成的材料粒径分布大、导电性能低,需要后备处理,并且这种方法周期长,能耗大等缺点。
水热合成法:Y.索非(Shoufeng Yang)等人用硫酸亚铁、磷酸和氢氧化锂作为初始物质,在控制PH值为6.91,120℃下合成。该方法合成的粉体材料工序复杂,并且合成材料含水溶性杂质以及水分含量较多,不利于锂离子电池的制作,并且该方法合成的材料导电率很小,需要后期处理。
溶液蒸发法:通过蒸发水溶性的锂盐、三价铁盐和磷酸根离子的混合物,然后在500℃高温处理而得到粉体材料。这种方法合成材料纯度不高,温度较高,粒径较大等缺点。不利于材料的电化学性能的改性。
发明内容
本发明的目的是提供一种橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法,所述LiFePO4粉体是以Fe(Ac)2、FeSO4、7H2O、Ba(Ac)2及有机酸为原料,采用溶胶—凝胶法合成,其具体实施步骤为:
(1)Fe(Ac)2的制备:以FeSO4·7H2O作为亚铁来源,称取等摩尔的FeSO4·7H2O和Ba(Ac)2分两个烧杯盛放,加入去离子水使之溶解并配成0.001~1Mol/L的溶液;在FeSO4·7H2O溶液中加入0.05~1%的还原铁粉,然后将两个溶液混合,搅拌均匀后进行离心分离,将分离后的澄清溶液收集,然后在通氮气的情况下蒸发水份而得到Fe(Ac)2的粉体;
(2)按摩尔比称取Fe(Ac)2、LiAc、(NH4)H2PO4、有机酸M,先将Fe(Ac)2配成0.001~0.1Mol/L的溶液,然后加入M,等M完全溶解后依次加入LiAc和(NH4)H2PO4,在通氮气的情况下80~100℃下恒温20~60Min得到黄绿色澄清溶液;
(3)将混合溶液在通氮气的情况下,80~100℃下加热1~3小时可得到墨绿色的胶体,继续加热可得到凝胶;
(4)将凝胶研细装入石墨坩锅中,在还原气氛下350~800℃烧成,并在烧成温度下保温5小时,得到粉体LiFePO4材料。
所述有机酸M为酒石酸,葡萄糖酸或柠檬酸。
所述Fe(Ac)2∶LiA∶(NH4)H2PO4∶有机酸M=1∶1∶1∶(1~16)。
本发明的有益效果是采用溶胶—凝胶法合成LiFePO4材料,具有以下特点:
(1)解决了亚铁离子容易氧化的问题,首先采用还原铁粉保护,然后有氮气保护。
(2)解决了Fe2+和PO4 3-混合产生沉淀的问题,使用有机酸M作为中介,较稳定的有机酸亚铁使得Li+、Fe2+和PO4 3-能够同时稳定的存在于一个溶液体系。
(3)络合产生的Li+、Fe2+以及PO4 3-离子体系烧成温度低,解决了高温烧成带来的颗粒粗大,分布较大等缺点。
(4)烧成时控制气氛为还原气氛,高温裂解的硬性碳包覆在颗粒上,解决了改善材料导电性能的关键步骤。
(5)制备过程时间短,烧成温度低,能耗低,无污染;制备的多晶LiFePO4粉体具有颗粒细小,均匀,直接在还原性气氛下烧成,可得到硬性碳包覆的LiFePO4粉体,故此不需进行后期的包覆处理即可改善材料的电子导电性能。合成温度350℃~800℃之间可调,可得到粒径在几个微米的粉体材料。
附图说明
图1为溶胶-凝胶法合成材料的XRD图谱。
图2~图4为溶胶-凝胶法合成材料的SEM图。
具体实施方式
本发明为一种橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法,所述LiFePO4粉体是以Fe(Ac)2、FeSO4、7H2O、Ba(Ac)2及有机酸为原料,采用溶胶—凝胶法合成,其具体实施步骤为:
(1)Fe(Ac)2的制备:以FeSO4·7H2O作为亚铁来源,称取等摩尔的FeSO4·7H2O和Ba(Ac)2分两个烧杯盛放,加入去离子水使之溶解并配成0.001~1Mol/L的溶液。在FeSO4·7H2O溶液中加入0.05~1%的还原铁粉。然后将两个溶液混合,搅拌均匀后进行离心分离。将分离后的澄清溶液收集,然后在通氮气的情况下蒸发水份而得到Fe(Ac)2的粉体。
(2)按摩尔比称取Fe(Ac)2∶LiA∶(NH4)H2PO4∶有机酸M=1∶1∶1∶(1~16)(M=酒石酸,葡萄糖酸或柠檬酸);先将Fe(Ac)2配成0.001~0.1Mol/L的溶液,然后加入M。等M完全溶解后依次加入LiAc和(NH4)H2PO4。在通氮气的情况下80~100℃下恒温20~60Min得到黄绿色澄清溶液。
(3)将混合溶液在通氮气的情况下,80~100℃下加热1~3小时可得到墨绿色的胶体,继续加热可得到凝胶。
(4)将凝胶研细装入石墨坩锅中,在还原气氛下350~800℃烧成,并在烧成温度下保温5小时,得到粉体LiFePO4材料。
下面通过实例,进一步对本发明的方法予以说明。
预制Fe(Ac)2:
称取0.5摩尔FeSO4·7H2O(化学纯),0.5摩尔Ba(Ac)2(化学纯)分别置于两个烧杯中,加入去离子水将之溶解配成1Mol/L的溶液。然后在FeSO4·7H2O水溶液中加入0.5克还原铁粉。用滴管取Ba(Ac)2溶液逐滴滴入FeSO4水溶液并搅拌。将反应充分的浊液体系用离心分离。收集上层清液并置于300mL的锥形瓶中,然后将锥形瓶放入烘箱中并以0.16L/Min的速度向锥形瓶中通以氮气,温度控制在90℃。3小时候取出得到Fe(Ac)2固体,研细并于惰性气氛下储存以备用。
实施例1:称取0.05摩尔Fe(Ac)2粉末放入800mL的锥形瓶中,加入去离子水将之配成0.1Mol/L的溶液,另称取0.4摩尔有机酸加入Fe(Ac)2溶液中。搅拌并置于烘箱中并以0.16L/Min的速度通以氮气,恒温80℃,60Min后得到黄绿色澄清溶液。向这澄清溶液中加入0.05摩尔LiAc,搅拌使之溶解。然后再加入0.05摩尔(NH4)H2PO4搅拌,溶解后体系为淡黄绿色溶液。将锥形瓶放入保温套中,恒温100℃并同样通以氮气。2.0小时后得到墨绿色的溶胶,继续加热得到凝胶块。将凝胶置于石墨坩锅中,600℃保温5小时得到黑色多孔疏松块体,研细得到LiFePO4粉体材料。图(1)为材料的XRD图谱,其中(110),(111),(002),(131),(222),(020),(021),(130),(140),(141),(222),(004)等衍射峰为LiFePO4材料的特征峰。图(2)为材料的SEM图。
实施例2:称取0.03摩尔Fe(Ac)2粉末置入800mL的锥形瓶中,加入去离子水使之溶解配成0.05Mol/L的溶液,另加入0.12摩尔有机酸。搅拌并置于烘箱中并以0.16L/Min的速度通以氮气,恒温80℃,40Min后得到绿色澄清溶液。向这澄清溶液中加入0.03摩尔LiAc,搅拌使之溶解。然后再加入0.03摩尔(NH4)H2PO4搅拌,溶解后体系为淡黄绿色溶液。将锥形瓶放入保温套中,恒温80℃并同样通以氮气。3.5小时后得到墨绿色的溶胶,继续加热得到凝胶块。将凝胶置于石墨坩锅中,500℃保温5小时得到黑色多孔疏松块体,研细得到LiFePO4粉体材料。图(3)为材料的SEM图。
实施例3:称取0.01摩尔Fe(Ac)2粉末置于800mL的锥形瓶中加入去离子水使之溶解并配成浓度为0.015Mol/L的溶液,另加入0.15摩尔有机酸。搅拌并置于烘箱中并以0.16L/Min的速度通以氮气,恒温80℃,45Min后得到黄绿色澄清溶液。向这澄清溶液中加入0.01摩尔LiAc,搅拌使之溶解。然后再加入0.01摩尔(NH4)H2PO4搅拌,溶解后体系为淡黄绿色溶液。将锥形瓶放入保温套中,恒温95℃并同样通以氮气。3小时后得到墨绿色的溶胶,继续加热得到凝胶块。将凝胶置于石墨坩锅中,450℃保温5小时得到黑色多孔疏松块体,研细得到LiFePO4粉体材料。图(4)为材料的SEM图。
Claims (3)
1.一种橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法,其特征在于:所述LiFePO4粉体是以Fe(Ac)2、FeSO4、7H2O、Ba(Ac)2及有机酸为原料,采用溶胶—凝胶法合成,其具体实施步骤为:
(1)Fe(Ac)2的制备:以FeSO4·7H2O作为亚铁来源,称取等摩尔的FeSO4·7H2O和Ba(Ac)2分两个烧杯盛放,加入去离子水使之溶解并配成0.001~1Mol/L的溶液;在FeSO4·7H2O溶液中加入0.05~1%的还原铁粉,然后将两个溶液混合,搅拌均匀后进行离心分离,将分离后的澄清溶液收集,然后在通氮气的情况下蒸发水份而得到Fe(Ac)2的粉体;
(2)按摩尔比称取Fe(Ac)2、LiAc、(NH4)H2PO4、有机酸M,先将Fe(Ac)2配成0.001~0.1Mol/L的溶液,然后加入M,等M完全溶解后依次加入LiAc和(NH4)H2PO4,在通氮气的情况下80℃下恒温20Min得到黄绿色澄清溶液;
(3)将混合溶液在通氮气的情况下,80~100℃下加热1~3小时可得到墨绿色的胶体,继续加热可得到凝胶;
(4)将凝胶研细装入石墨坩锅中,在还原气氛下350~800℃烧成,并在烧成温度下保温5小时,得到粉体LiFePO4材料。
2.根据权利要求1所述橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法,其特征在于:所述有机酸M为酒石酸,葡萄糖酸或柠檬酸。
3.根据权利要求1所述橄榄石结构的多晶LiFePO4粉体制备方法,其特征在于:所述Fe(Ac)2∶LiA∶(NH4)H2PO4∶有机酸M=1∶1∶1∶(1~16)。
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