高鐵酸鋰－鋰嵌入化合物電池的製作方法
2023-09-09 20:05:15 1
專利名稱：高鐵酸鋰－鋰嵌入化合物電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及二次電池的製造，特別是高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池，包括用於鋰離子電池正極材料高鐵酸鋰的合成方法。
高鐵酸鋰是一種六價鐵化合物，有關其合成方法還沒有這方面的文獻報導和專利。對於高鐵酸鋰來說，由於其在水溶液中不穩定，很難用次氯酸鹽氧化法和電解法直接得到。
本發明高鐵酸鋰-鋰嵌入化合電池中，電池的正極以得到的六價鐵化合物高鐵酸鋰為正極活性物質，負極活性物質是鋰嵌入化合物；鋰嵌入化合物可以是C6Li、LiTiO2、LiFeO2、LixSnO、金屬鋰或鋰合金等；所說電池的放電電壓可以從3600毫伏至1000毫伏。
本發明的具體合成方法步驟包括將氧化鋰和鐵的氧化物或硝酸鹽的混合物為起始物，在球磨機中通過機械球磨，機械球磨的條件是球料質量比為1.5∶1-2.5∶1；轉速為200-400rmp/min；時間為10-50小時；然後在400℃-800℃，臭氧氣氛下恆溫5-20小時。
本發明得到高鐵酸鋰，純度範圍為85％-99％，粒徑從30納米至100微米。
本發明的工作原理通過機械球磨的方法，使得氧化鋰和鐵的氧化物或硝酸鹽的混合粉末發生對應於顆粒尺寸和比表面積的改變，而後者則對應晶粒尺寸、顯微應變和有效溫度係數的改變，同時混合粉末又得到了更均勻的混合，有效地獲得高活性粉料。然後在高溫環境和臭氧氣氛下，氧化鋰和鐵的氧化物或硝酸鹽的高活性混合粉料發生反應，得到高鐵酸鋰。如氧化鋰和氧化鐵的高活性混合粉料的反應如(1)所示(1)這樣得到的高鐵酸鋰產物純度很高，無須進行後續分離。
在非水介質中，基於高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池的高鐵酸鋰電極的電極反應為(2)鋰嵌入化合物電極的電極反應為(3)基於高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池中高鐵酸鋰電極和鋰嵌入化合物電極的電極反應(2)和(3)，高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池的電池反應為(4)在高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池中，高鐵酸鋰作為正極活性物質，按照反應(2)，隨著放電的進行，Fe元素從+6價態變化到+3價；充電時，Fe元素從+3價態變化到+6價，理論上x值最大可以達到x＝3，因此，高鐵酸鋰作為正極具有高的理論容量。按鐵從六價還原到三價計算，高鐵酸鋰的理論容量為601mAh/g，比目前已經商業化的鋰離子電池正極活性物質LiCoO2的理論容量270mAh/g要高出一倍以上。
高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池的實用電壓範圍為3.6V-1.0V，其平均電壓為1.3V。
本發明的優越性在於1、球磨促進高溫氧化法合成六價鐵化合物高鐵酸鋰，合成步驟簡單，設備要求不複雜，產物的純度高，無需後續分離。2、開發了鋰離子電池正極材料的新體系，電池比能量高，價格低，有環保意義。以下結合附圖及實施例進一步說明本發明。
圖2為LiFeO4/Li電池的放電曲線圖。
實施例1按化學計量比準確稱量Li2O和Fe2O3，混合後在球料質量比為2.0∶1，轉速為250rmp/min的條件下機械球磨10小時，得到高活性的反應混合料。然後在臭氧氣氛下，500℃條件下恆溫10小時，得到產物高鐵酸鋰，經分析其純度達到95％，粒徑為100nm。
實施例2按化學計量比準確稱量Li2O和Fe2O3，混合後在球料質量比為2.5∶1，轉速為350rmp/min的條件下機械球磨20小時，得到高活性的反應混合料。然後在臭氧氣氛下，500℃條件下恆溫10小時，得到產物高鐵酸鋰，經分析其純度達到97％，粒徑為70nm。
圖1為實施例2得到的高鐵酸鋰的粉末X射線衍射圖。
實施例3將實施例2得到的高鐵酸鋰產物，與乙炔黑、PTFE按重量比85％∶10％∶5％的比例混合均勻，用異丙醇做分散劑，滾壓成型，得到正極極片厚度為0.12mm。以3倍於正極容量的C6Li為負極組裝成高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池。電解質溶液為1MLiPF6溶液(溶劑為EC∶DME＝1∶1v/v)，隔膜為聚丙烯微孔膜(cellgard2300)。測試以恆電流0.2C進行，截止電壓為1.0V，正極放電容量達到近270mAh/g。放電曲線如圖2所示，圖2為LiFeO4/Li電池的放電曲線圖。
權利要求
1.一種高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池，其特徵在於它是包括高鐵酸鋰為正極活性物質與負極活性物質鋰嵌入化合物構成。
2.按照權利要求1所說的高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池，其特徵在於所說的電池的放電電壓可以從3600毫伏至1000毫伏。
3.按照權利要求1所說的高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池，其特徵在於所說的負極活性物質鋰嵌入化合物可以是C6Li、LiTiO2、LiFeO2、LixSnO、金屬鋰或鋰合金。
4.權利要求1所說的高鐵酸鋰-鋰嵌入化合物電池正極活性物質高鐵酸鋰的合成方法，其特徵在於該高鐵酸鋰純度範圍為85％-99％，粒徑30納米-100微米；具體合成方法步驟包括1)將氧化鋰和鐵的氧化物或硝酸鹽的混合物為起始物，在球磨機中機械球磨，機械球磨的條件是球料質量比為1.5∶1-2.5∶1；轉速為200-400rmp/min；時間為10-50小時；2)然後，在400℃-800℃，氧氣氣氛下恆溫5-20小時。
全文摘要
本發明涉及二次電池的製造，特別是用於鋰離子電池正極材料高鐵酸鋰的合成方法。將氧化鋰和鐵的氧化物或硝酸鹽的混合物為起始物，在球磨機中通過機械球磨，機械球磨的條件是球料質量比為1.5∶1－2.5∶1；轉速為200－400rmp/min；時間為10－50小時；然後在400℃－800℃，氧氣氣氛下恆溫5－20小時。可得到純度範圍為85％－99％、粒徑30納米至100微米的高鐵酸鋰。本發明合成步驟簡單，設備要求不複雜，產物的純度高，無需後續分離；開發了鋰離子電池正極材料的新體系，電池比能量高，價格低，有環保意義，具有極大的商業開發前景。
文檔編號H01M4/58GK1416190SQ0214641
公開日2003年5月7日 申請日期2002年11月5日 優先權日2002年11月5日
發明者葉世海, 吳鋒, 高學平, 王永龍, 周寧, 宋德瑛 申請人:南開大學