一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料及其製備方法和應用與流程

2023-05-27 02:19:31

本發明屬於鋰離子電池正極材料
技術領域：
，特別涉及一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料及其製備方法和應用。
背景技術：
：磷酸鐵鋰作為一種鋰離子電池正極活性材料，因其具有價格便宜、環境友好、安全性高、循環性能好，在動力電池和儲能電池領域有大量的應用。而磷酸鐵鋰為一種電子的不良導體限制的該材料的直接應用，通過包覆、摻雜等手段來改善其性能。傳統的的方法採用無機碳顆粒或糖類熱解時產生的碳實現對磷酸鐵鋰的碳包覆。對於添加無機碳顆粒的方法難以將磷酸鐵鋰表面做到全面的包覆。採用糖類熱解時產生的碳的方法，生產的熱解碳因熱解溫度低不能進行石墨化，導電率不高。石墨烯作用一種新型的片狀材料，具有非同尋常的導電性能和導熱性能。採用石墨烯於磷酸鐵鋰複合可以極大低提高磷酸鐵鋰材料的導電性能，實現對磷酸鐵鋰材料性能的提升。但石墨烯的應用中存在的難分散的困難，影響其應用。技術實現要素：為克服上述現有技術中存在的缺點與不足，本發明的首要目的在於提供一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料的製備方法。本發明的另一目的在於提供上述製備方法獲得的磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料。本發明的再一目的在於提供上述磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料的應用。本發明的目的通過下述技術方案實現：一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料，由以下質量份數的原材料製備獲得：所述的碳酸鋰為工業級或電池級中的一種。所述的磺化石墨烯為片徑1μm～30μm；作為優選的實施方式，所述的磺化石墨烯為片徑8μm～9μm。所述的分散劑聚維酮(PVP)型號為PVPK15、PVPK30、PVPK60、PVPK120中的一種。上述的磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料的製備方法，包括以下步驟：步驟1：在帶攪拌反應釜內加入去離子水；步驟2：根據加入去離子水的量加入無水乙醇，使反應釜中配置成乙醇溶液；步驟3：按以下組分和質量份數含量稱量原材料：二水合正磷酸鐵71～72份、碳酸鋰28～29份、聚乙烯醇2～5份、磺化石墨烯1～3份，分散劑聚維酮(PVP)0.3～0.6份；步驟4：將步驟3稱量好的原材料加入反應釜中，在反應釜中通過攪拌獲得漿料；步驟5：將攪拌好的漿料通過砂磨機進行1h～5h的研磨；步驟6：將研磨好的漿料採用噴霧乾燥進行乾燥獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料前驅體；步驟7：將前軀體在氮氣和氫氣的混合氣體保護下在600℃～700℃管式爐中進行燒結10～20小時，燒結後將管式爐內的產物冷卻至室溫，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料。步驟2中所述的反應釜中配置成的無水乙醇溶液濃度為5％～10％；作為優選的實施方式，步驟2中所述的反應釜中配置成的無水乙醇溶液濃度為6％～8％；作為進一步優選的實施方式，步驟2中所述的反應釜中配置成的無水乙醇溶液濃度為7％～7.5％。步驟3中所述的碳酸鋰為工業級或電池級中的一種。步驟3中所述的磺化石墨烯為片徑1μm～30μm；作為優選的實施方式，步驟3中所述的磺化石墨烯為片徑5μm～20μm；作為進一步優選的實施方式，步驟3中所述的磺化石墨烯為片徑7μm～10μm；作為進一步優選的實施方式，步驟3中所述的磺化石墨烯為片徑8μm～9μm。步驟3中所述的分散劑聚維酮(PVP)型號為PVPK15、PVPK30、PVPK60、PVPK120中的一種。步驟4中所述的漿料固含量控制在25％～45％；作為優選的實施方式，步驟4中所述的漿料固含量控制在30％～40％；作為進一步優選的實施方式，所步驟4中所述的漿料固含量控制在35％～38％。步驟5中所述的砂磨機中使用鋯球為直徑為0.2mm～0.4mm。步驟5中所述的砂磨機的攪拌槳線速度控制在10m/s～15m/s。步驟6中所述的噴霧乾燥的進口溫度280℃～320℃、出口溫度90℃～110℃；作為優選的實施方式，步驟6中所述的噴霧乾燥的進口溫度290℃～310℃、出口溫度95℃～105℃；作為進一步優選的實施方式，步驟6中所述的噴霧乾燥的進口溫度295℃～305℃、出口溫度98℃～102℃。步驟7中所述的混合氣體中氮氣和氫氣的比例為90：10～99：1；作為優選的實施方式，步驟7中所述的混合氣體中氮氣和氫氣的比例為95：5～98：2。上述製備方法獲得的磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料在鋰離子電池正極材料中應用。本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果：1.石墨烯為一種難分散的材料，本發明採用磺化石墨為原料，利用磺化石墨溶於水的特性，在這次漿料的過程中將磺化石墨烯溶解。磺化石墨溶解後在攪拌和砂磨機的左右下將在漿料中充分分散。乾燥後的物料在氣體保護的燒結過程中磺化石墨烯中的磺酸根會分解為二氧化硫氣體排出，剩餘的產物為石墨烯將與反應過程中生產的磷酸鐵鋰進行良好的複合。從而實現石墨烯在磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料中的均勻分散。2.酒精的加入可以在漿料乾燥過程增加乾燥料中孔隙，孔隙多的磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料在製成電池後吸液性強，利用電池倍率性能的發揮。3.在漿料製作過程中加入PVP做分散劑可以有效地提高漿料的固含量，提高生產效率。4.本發明製備的磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料，具有優異的導電性能，同時製備方法簡單。具體實施方式下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。實施例1本發明提供一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料，其製備方法包括以下步驟：步驟1：在500L帶攪拌反應釜內加入250kg去離子水；步驟2：加入25kg無水乙醇，使反應釜中配置成濃度為9.1％的乙醇溶液；步驟3：稱量原料：二水合正磷酸鐵71kg、電池級碳酸鋰29kg、聚乙烯醇5kg、片徑為13μm～15μm磺化石墨烯2kg，分散劑型號為PVPK30聚維酮(PVP)0.3kg；步驟4：將步驟3稱量好的原材料加入反應釜中，在反應釜中通過攪拌獲得漿料，漿料固含量28.1％；步驟5：將攪拌好的漿料通過添加0.3mm鋯球的砂磨機以線速度12m/s進行4h的研磨；步驟6：將研磨好的漿料採用噴霧乾燥進行乾燥，噴霧乾燥的入口溫度為310℃、出口溫度為102℃，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料前驅體；步驟7：將前軀體在氮氣和氫氣(比例：97:3)的混合氣體保護下在670℃管式爐中進行燒結18小時，燒結後將管式爐內的產物冷卻至室溫，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料。實施例2本發明提供一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料，其製備方法包括以下步驟：步驟1：在500L帶攪拌反應釜內加入300kg去離子水；步驟2：加入20kg無水乙醇，使反應釜中配置成濃度為6.3％的乙醇溶液；步驟3：稱量原料：二水合正磷酸鐵100kg、工業級碳酸鋰40kg、聚乙烯醇4kg、片徑為8μm～9μm磺化石墨烯2kg，分散劑型號為PVPK15聚維酮(PVP)0.5kg；步驟4：將步驟3稱量好的原材料加入反應釜中，在反應釜中通過攪拌獲得漿料，漿料固含量31.4％；步驟5：將攪拌好的漿料通過添加0.35mm鋯球的砂磨機以線速度14m/s進行3h的研磨；步驟6：將研磨好的漿料採用噴霧乾燥進行乾燥，噴霧乾燥的入口溫度為300℃、出口溫度為105℃，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料前驅體；步驟7：將前軀體在氮氣和氫氣(比例：98:2)的混合氣體保護下在680℃管式爐中進行燒結10小時，燒結後將管式爐內的產物冷卻至室溫，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料。實施例3本發明提供一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料，其製備方法包括以下步驟：步驟1：在500L帶攪拌反應釜內加入380kg去離子水；步驟2：加入30kg無水乙醇，使反應釜中配置成濃度為7.3％的乙醇溶液；步驟3：稱量原料：二水合正磷酸鐵150kg、電池級碳酸鋰59.8kg、聚乙烯醇9.4kg、片徑為25μm～28μm磺化石墨烯5.9kg，分散劑型號為PVPK90聚維酮(PVP)1kg；步驟4：將步驟3稱量好的原材料加入反應釜中，在反應釜中通過攪拌獲得漿料；步驟5：將攪拌好的漿料通過添加0.4mm鋯球的砂磨機以線速度14m/s進行2h的研磨；步驟6：將研磨好的漿料採用噴霧乾燥進行乾燥，噴霧乾燥的入口溫度為298℃、出口溫度為100℃，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料前驅體；步驟7：將前軀體在氮氣和氫氣(比例：95:5)的混合氣體保護下在650℃管式爐中進行燒結20小時，燒結後將管式爐內的產物冷卻至室溫，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料。實施例4本發明提供一種磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料，其製備方法包括以下步驟：步驟1：在500L帶攪拌反應釜內加入320kg去離子水；步驟2：加入20kg無水乙醇，使反應釜中配置成濃度為5.9％的乙醇溶液；步驟3：稱量原料：二水合正磷酸鐵180kg、工業級碳酸鋰70kg、聚乙烯醇7.5kg、片徑為9μm～10μm磺化石墨烯5kg，分散劑型號為PVPK120聚維酮(PVP)1.45kg；步驟4：將步驟3稱量好的原材料加入反應釜中，在反應釜中通過攪拌獲得漿料；步驟5：將攪拌好的漿料通過添加0.2mm鋯球的砂磨機以線速度15m/s進行4h的研磨；步驟6：將研磨好的漿料採用噴霧乾燥進行乾燥，噴霧乾燥的入口溫度為295℃、出口溫度為102℃，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料前驅體；步驟7：將前軀體在氮氣和氫氣(比例：92:8)的混合氣體保護下在700℃管式爐中進行燒結10小時，燒結後將管式爐內的產物冷卻至室溫，獲得磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料。對比樣1市售磷酸鐵鋰/碳複合材料。含碳量1.4％。對比樣2市售磷酸鐵鋰/碳複合材料。含碳量2.1％。採用4個實施例所得的材料和2個對比樣的材料進行電導率測試。結果見表1所示，實施例中所得產品的電導率比市售磷酸鐵鋰/碳複合材料電導率高1個數量級。表1編號電導率S/cm實施例118.7×10-3實施例213.4×10-3實施例319.8×10-3實施例422.4×10-3對比樣11.4×10-3對比樣22.7×10-3上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp