CN1803591A - 一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,将三价铁盐、锂盐、磷盐和还原剂混合于溶剂中进行反应,反应0.5-30小时后得到无定形的磷酸铁锂;将无定形的磷酸铁锂在氮气或氩气或混合气气氛中,以5-30℃/min加热速率升温至450-800℃,恒温焙烧20-600min,然后以1-20℃/min降温速率冷却至室温,制得晶型的锂离子电池正极材料磷酸铁锂粉末。本发明合成磷酸铁锂材料的方法,采用三价铁源,还原剂将三价铁还原为二价铁的同时生成磷酸铁锂,该工艺获得的磷酸铁锂,比容量高,循环性能优良,具有稳定的充放电电压平台且首次充放电效率达到100%。
Description
技术领域
本发明属于一种锂离子电池正极材料的制备方法,特别是一种采用湿法工艺制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的方法。
背景技术
锂离子电池的正极材料是制约锂离子电池发展的瓶颈,其决定着锂离子电池的性能、价格及其发展。因此,研究和开发高性能的正极材料已成为锂离子电池发展的关键所在。1997年Goodenough研究小组[A.K.Padhi,K.S.Nanjundaswarmy,.B.goodenough,J.Electrochem.Soc.,144(1997))]首次合成磷酸铁锂,并发现用该材料作为锂离子电池正极材料具有较高的理论比容量(170mAh/g),大于已商品化的LiCoO2的实际放电比容量140mAh/g。考虑到其无毒,对环境友好,原材料来源丰富、低廉的价格和优良的热稳定性等特点,而受到研究者的极大关注,并被认为是最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料。
目前合成磷酸铁锂的方法主要有高温固相法、溶胶-凝胶法、水热法、液相氧化还原法等。
广泛使用的高温固相法(例如[J]P.P.Prosini et al Electrochem Acta,46(2001)3517-3523)是将铁盐如草酸亚铁或硝酸铁,与磷酸二氢铵和锂盐如碳酸锂或氢氧化锂按计量比混合均匀,在惰性气氛如氮气或氩气保护下,经二步焙烧合成磷酸铁锂。这种方法容易使合成的材料粒径分布较宽,且难以得到纯的磷酸铁锂。中国专利CN1581537A是直接采用金属铁粉和磷酸铁为铁源,以磷酸锂为锂源,经过36小时高能球磨,,于600℃恒温焙烧60min制得磷酸铁锂。该工艺虽然简单易行,但是高能球磨时间长,能耗大。
F.croce等在[J]Electrochemical and Solid-State Letters,2002,5(3)A47-A50中采用溶胶-凝胶法以醋酸铁或硝酸铁为前驱体,混合化学计量比的LiOH后加入抗坏血酸,然后加入到H3PO4中,以氨水调节PH值,加热至60℃得到凝胶。然后于氮气氛中在350℃加热12小时使凝胶分解,最后在800℃烧结24小时得到磷酸铁锂。Jingsi Yang等在文献[J]Electrochemical and Solid-StateLetters,2004,7(12),A515-A518中将醋酸锂、醋酸亚铁、磷酸以化学计量比溶于乙二醇水溶液中,经剧烈搅拌后得凝胶,然后经700℃下恒温12小时,即得磷酸铁锂粉末。利用该方法合成的材料虽然均匀性较好,但在凝胶制备中条件要求较苛刻,不易控制。
S.Fanger等在[J]Electrochem Solid-State Letter,2002,5(10)A231-A223中,采用水热法以Fe3(PO4)2和Li3PO4为前驱体,于高压釜中在220℃,240bar条件下反应1小时制得磷酸铁锂粉末。该合成方法需要使用高压釜,反应须在高温高压下进行,因此成本较高。
Pier Paolo等在[J]Journal of the Electrochemical Society,2002,149(7)A886-890中,以Fe(NH4)2(SO4)2、NH4H2PO4和H2O2为原料首先合成FePO4,然后用LiI还原FePO4,在550℃还原气氛下加热1小时制备磷酸铁锂。该方法可制得电化学性能优良的材料,但是所用的LiI价格昂贵,不合适工业化生产。
发明内容:
本发明提出一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的湿法制备方法,简化制备工艺,提高产物纯度,改善材料导电性能。本发明无需预先制备或使用在空气中易氧化的亚铁盐,而采用三价铁盐、锂盐、以及磷酸盐为前驱体,利用清洁型还原剂在前驱体溶液中低温下将三价铁还原成二价铁,从而制备纯度高、电化学性能优异的锂离子电池正极材料磷酸铁锂。
本发明一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,主要采用低温液相氧化还原合成工艺,具体制备方法如下:
将三价铁盐、锂盐、磷盐和还原剂混合于溶剂中进行反应,其中三价铁盐中铁、锂盐中的锂、磷盐中的磷和还原剂的摩尔比为1∶0.95-1.05∶1∶0.25-2,铁盐中的铁在溶剂中的浓度为0.1-2mol/L,反应0.5-30小时,60-100℃下挥发溶剂并洗涤所得到无定形的磷酸铁锂沉淀,然后将无定形的磷酸铁锂沉淀在氮气或氩气或混合气气氛中,以5-30℃/min加热速率升温至450-800℃,恒温焙烧20-600min,然后以1-20℃/min降温速率冷却至室温,制得晶型的锂离子电池正极材料磷酸铁锂。
本发明中所使用的三价铁盐为硝酸铁、氯化铁或磷酸铁。
本发明中所使用的锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂或硝酸锂。
本发明中所使用的磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵或磷酸铁。
本发明所使用的还原剂为水合肼、氯化亚锡、硼氢化钠或抗坏血酸。
本发明所使用的溶剂为去离子水、无水乙醇、乙二醇或甘油。
本发明所用的磷酸铁可使用市售商品,亦可自制。制备磷酸铁的方法为:将等摩尔的Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O和NH4H2PO4分别溶解于去离子水中,配成0.025-0.1mol/L溶液,将两种溶液混合后,剧烈搅拌中,每升溶液加入1-4mL30%的H2O2水溶液,继续搅拌2小时,所得沉淀经过过滤、洗涤、干燥制得FePO4。
本发明采用低温液相氧化还原制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的方法具有以下显著优点:1)本发明采用的还原剂能在低温液相中将三价铁还原成二价铁,同时生成无定形的磷酸铁锂沉淀;2)所得的锂离子电池正极材料磷酸铁锂粉末为纳米级颗粒,化学成份和物相成份均匀;3)本发明低温液相还原合成工艺制备磷酸铁锂的方法,原料成分和产物配方容易控制,电化学测试表明采用本发明合成的磷酸铁锂材料,比容量高,循环性能优良,具有稳定的充放电电压平台且首次充放电效率达到100%。
附图说明
图1按实施例1所制备的磷酸铁锂的X-射线衍射图谱。
图2按实施例1所制备的磷酸铁锂的扫描电镜照片。
图3按实施例1所制备的磷酸铁锂的充放电曲线。
具体实施方式
以下实施例采用的电化学性能测试条件为:电压范围2.5V~4.2V.电解液为1mol/LLiPF6/EC∶DMC(1∶1),对电极为金属锂片,充放电电流为17mA·g-1,测试温度为20±2℃。
实施例1:
称取0.01molFe(NH4)2(SO4)2·6H2O和0.01molNH4H2PO4分别溶于500ml去离子水中,两种溶液混合后,在搅拌下加入4mL浓度为30%的H2O2水溶液,继续搅拌2小时。将生成的沉淀物过滤、洗涤干燥得FePO4。将0.02molLiAc·2H2O、0.01molFePO4、0.01mol抗坏血酸混合于50mL乙醇中,搅拌反应10小时,60℃下挥发溶剂并洗涤所得无定形的磷酸铁锂沉淀,然后将无定形的磷酸铁锂沉淀置于高温炉中,在混合气氛(95%Ar+5%H2)中,以5℃/min加热速率升温,于600℃恒温焙烧2小时,然后以20℃/min降温速率冷却至室温,制得晶型的锂离子电池正极材料磷酸铁锂粉末。图1是X射线衍射图,分析所得的磷酸铁锂粉末为纯的橄榄石型正交晶系单相结构。图2是磷酸铁锂粉末的扫描电镜照片,产物颗粒尺寸基本小于3微米,有颗粒的团聚现象。
称取0.4克制得的磷酸铁锂粉末,加入0.05克乙炔黑和0.05克溶于N-N’二甲基吡咯烷酮的聚偏二氟乙烯粘结剂,混合均匀后涂于铝箔上制成正极片。在氩气气氛干燥手套箱中,以金属锂片为对电极,UB3025(PP/PE/PP)为隔膜,碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)+1ML LiPF6为电解液,组装成电池。
在常温(20度)下,对电池在2.5V~4.2V电压范围进行恒流充放电测试。图3是以0.1C倍率(17mA·g-1)充放电曲线,由图可知,所得磷酸铁锂材料放电电压为3.4V左右,可逆比容量高达163mAh/g,为理论比容量的96%。电池循环性能亦十分优越。
实施例2:
称取0.01molLiAc·2H2O、0.01mol FePO4(按实施例1制备)、0.005mol抗坏血酸溶于25mL乙醇中,搅拌反应20小时,60℃下挥发溶剂并洗涤所得磷酸铁锂沉淀,最后将磷酸铁锂沉淀置于高温炉中,于氩气气氛中以5℃/min加热速率升温,于700℃恒温焙烧1O小时,然后以10℃/min降温速率冷却至室温,即得锂离子电池正极材料磷酸铁锂粉末。该材料的放电比容量约为130mAh/g。
实施例3:
称取0.01molLiAc·2H2O、0.01molFePO4(按实施例1制备)、0.01mol抗坏血酸溶于25mL乙醇中,搅拌20小时后,将沉淀过滤、洗涤、干燥,然后在混合气氛(95%Ar+5%H2)中以5℃/min加热速率升温,于650℃恒温焙烧15小时,然后以10℃/min降温速率冷却至室温,即得锂离子电池正极材料磷酸铁锂粉末。该材料的放电比容量约为140mAh/g。
Claims (6)
1.一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征在于制备方法如下:将三价铁盐、锂盐、磷盐和还原剂混合于溶剂中进行反应,其中三价铁盐中铁、锂盐中的锂、磷盐中的磷和还原剂的摩尔比为1∶0.95-1.05∶1∶0.25-2,铁盐中的铁在溶剂中的浓度为0.1-2mol/L,反应0.5-30小时,60-100℃下挥发溶剂并洗涤所得到无定形的磷酸铁锂沉淀,然后将无定形的磷酸铁锂沉淀在氮气或氩气或混合气气氛中,以5-30℃/min加热速率升温至450-800℃,恒温焙烧20-600min,然后以1-20℃/min降温速率冷却至室温,制得晶型的锂离子电池正极材料磷酸铁锂。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征是三价铁盐为硝酸铁、氯化铁或磷酸铁。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征是锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂或硝酸锂。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征是磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵或磷酸铁。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征是还原剂为抗坏血酸、水合肼、氯化亚锡或硼氢化钠或其混合物。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法,其特征是溶剂为去离子水、无水乙醇、乙二醇或甘油。
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