一種鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料的製備方法

2023-04-23 20:35:11

專利名稱：一種鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋰離子電池用複合材料的製備方法，尤其涉及一種鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料、及其製備方法。
背景技術：
鋰離子電池作為一種新型的二次電池，具有比容量高、電壓高、安全性好的特點，廣泛應用於電動汽車、行動電話、筆記本電腦的驅動電源。正極材料時鋰離子電池中的關鍵材料，其中LiFePO4以其在鋰的脫出和嵌入過程中無體積變化，高溫下充放電不釋出活性氧，具有優良的循環性和安全性，逐漸的成為當下最熱門的鋰離子電池正極材料之一。但是目前在生產的磷酸鐵鋰的過程中存在兩個明顯的缺點一是振實密度低，其理論振實密度在3. 6g/cm3,實際振實密度只有lg/cm3左右，還不到LiCoO2振實密度的一半；二是電導率低，高倍率充放電時極化大，實際比容量低；因此提高磷酸鐵鋰振實密度和導電性能已成為其實用化必須解決的技術難題。為了克服上述缺陷，科研人員開展了眾多研究，比如碳包覆和合金化，但是其效果較有限。經研究發現合成LiFeP04/C複合材料可有效的增加LiFePO4的電子電導率和離子擴散速率。目前已公開的文獻資料中，主要通過在LiFePO4表面包覆一層無定形碳來提高LiFePO4的電導率及離子擴散速率。而碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，較普通的無定形碳而言，其具有許多異常的力學、電學和化學性能。在LiFePO4表面包覆一層碳納米管可顯著的改善LiFePO4的電導率及離子擴散速率。但是，碳納米管的包覆結構及均勻性直接影響了 LiFePO4的電導率及離子擴散速率的改善效果。

發明內容
本發明的目的是提供一種鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料的製備方法，使用該方法製備的用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料的碳納米管包覆均勻、結構穩定，使得使用該材料的鋰離子電池具有高比容量、充放電性能好、優異循環穩定性、使用壽命長等特點。為了實現上述目的，本發明提供的一種鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料的製備方法包括如下步驟
步驟I，配料
稱取以下原料，各組分的含量以原料組分的摩爾數之和為總量計10-15%的氯化亞鐵、6-12%的磷酸鈉、10-25%的醋酸鋰、5-10%的還原劑、5-10%的催化劑、15-30%的硬脂酸鈉和20-35%的碳納米管；
步驟2，配製混合液
將所述醋酸鋰和磷酸鈉容於所述乙二醇和蒸餾水組成混合溶劑中，配製成總摩爾濃度為l-2mol/L的溶液，其中乙二醇和蒸餾水的體積比為1:2-3，然後進行超聲波分散溶解，依次加入氯化亞鐵、還原劑和催化劑，然後進行超聲波分散溶解，從而得到總摩爾濃度為2-3mol/L的混合液；
步驟3，製備磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體
將硬脂酸鈉加入到上述混合液中，然後進行超聲波分散溶解，加入碳納米管，通過超聲波分散溶解使其充分混合，然後200-25(TC下反應4-8h，反應後冷卻至室溫，將生成物過濾，交替用去離子水和乙醇反覆洗滌，最後得到粉末，將所述粉末在45-50°C下乾燥10-12h，得到磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體；
步驟4，燒結
第一次燒結將磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體中加入到濃度大於或等於85%乙醇分散劑中，並研磨1-2小時，加入佔前驅體重量20-30%的蔗糖後繼續研磨2-4小時，然後在110-130°C無氧條件下進行乾燥；
第二次燒結將乾燥後製得的物料進行第二次燒結，燒結的溫度設定在300°C -350°C ；第三次燒結將第二次燒結後製得的物料進行第三次燒結，燒結的溫度設定在650-730°C，得到碳包覆完整的磷酸鐵鋰。其中，所述還原劑優選為草酸。其中，所述催化劑優選為二茂鐵。本發明第二個目的是提供一種上述任意方法製備的鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料。本發明製備的鋰離子電池正極材料，由於在磷酸鐵鋰上均勻包覆了碳，並且包覆結構完整，具有良好的導電性能，因此在具有高比容量的同時，充放電性能好，具有良好的循環穩定性，用於鋰離子電池時，比容量高，循環穩定性好，使用壽命長。
具體實施例方式實施例一
配料
同時稱取以下原料，各組分的含量以原料組分的摩爾數之和為總量計15%的氯化亞鐵、6%的磷酸鈉、14%的醋酸鋰、10%的還原劑草酸、5%的催化劑二茂鐵、20%的硬脂酸鈉和30%的碳納米管。配製混合液
將所述鋰源和磷酸根源在容器中於所述乙二醇和蒸餾水組成混合溶劑混合攪拌配製成總摩爾濃度為l_2mol/L的溶液，其中乙二醇和蒸餾水的體積比為1:2，然後將容器放置在超聲波清洗器中對溶液進行超聲波分散溶解後，同時依次加入氯化亞鐵、草酸和二茂鐵，然後進行超聲波分散溶解，從而得到總摩爾濃度為2mol/L的混合液。製備磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體
將硬脂酸鈉加入到上述混合液中，然後進行超聲波分散溶解，加入碳納米管，通過超聲波分散溶解使其充分混合，然後將溶液置入聚四氟乙烯高壓反應釜中，在200°C下反應4h，反應後冷卻至室溫，將反應釜的生成物倒入真空抽濾機的漏鬥中，一邊真空抽濾，一邊交替用去離子水和乙醇反覆洗滌，最後得到粉末，將所述粉末放入鼓風乾燥箱中45°C下乾燥10h，得到磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體；紅彡口
第一次燒結將磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體中加入到濃度大於或等於85%乙醇分散劑中，並在研磨機中進行研磨I小時，加入佔前驅體重量20%的蔗糖後繼續研磨2小時，然後在110°C無氧條件下進行乾燥；第二次燒結將燥後製得的物料進行第二次燒結，燒結的溫度設定在300°C ;第三次燒結將第二次燒結後製得的物料進行第三次燒結，燒結的溫度設定在650°C，得到碳包覆完整的磷酸鐵鋰。實施例二 配料
同時稱取以下原料，各組分的含量以原料組分的摩爾數之和為總量計10%的氯化亞鐵、10%的磷酸鈉、10%的醋酸鋰、10%的還原劑草酸、10%的催化劑二茂鐵、15%的硬脂酸鈉和35%的碳納米管。配製混合液·
將所述鋰源和磷酸根源在容器中於所述乙二醇和蒸餾水組成混合溶劑混合攪拌配製成總摩爾濃度為2mol/L的溶液，其中乙二醇和蒸餾水的體積比為1:3，然後將容器放置在超聲波清洗器中對溶液進行超聲波分散溶解後，同時依次加入氯化亞鐵、草酸和二茂鐵，然後進行超聲波分散溶解，從而得到總摩爾濃度為3mol/L的混合液。製備磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體
將硬脂酸鈉加入到上述混合液中，然後進行超聲波分散溶解，加入碳納米管，通過超聲波分散溶解使其充分混合，然後將溶液置入聚四氟乙烯高壓反應釜中，在250°C下反應8h，反應後冷卻至室溫，將反應釜的生成物倒入真空抽濾機的漏鬥中，一邊真空抽濾，一邊交替用去離子水和乙醇反覆洗滌，最後得到粉末，將所述粉末放入鼓風乾燥箱中50°C下乾燥12h，得到磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體；
紅彡口
第一次燒結將磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體中加入到濃度大於或等於85%乙醇分散劑中，並在研磨機中進行研磨2小時，加入佔前驅體重量30%的蔗糖後繼續研磨4小時，然後在130°C無氧條件下進行乾燥；第二次燒結將燥後製得的物料進行第二次燒結，燒結的溫度設定在350°C ;第三次燒結將第二次燒結後製得的物料進行第三次燒結，燒結的溫度設定在730°C，得到碳包覆完整的磷酸鐵鋰。比較例
Fe (NO3) 3 * 9H20 82. 45 g (分析純，含量彡 98. 5)，Li2CO3 7. 46g (分析純，含量彡 99)，H3PO4 23. 06g (分析純，含量彡85) (Li :Fe :P=1:1:1 )，用500g電子天平(精度O. Olg)稱好後放入500ml玻璃燒杯中，加入去離子水200ml，攪拌至完全溶解。噴霧乾燥機預熱到出口溫度100°C。將上述配置好的溶液加入噴頭，進行霧化乾燥。得到38g淡黃色粉末。將上述粉末裝入陶瓷坩堝，放入管式電阻爐中，然後通入含氫5%的氮氣，20分鐘後通電升溫，溫度升至400°C後保溫12小時。保溫結束後，在其中冷卻至室溫(整個過程都保持通入含氫5%的氮氣)。取出物料研碎即得磷酸鐵鋰/碳粉末。將實施例一、二及比較例所得鋰離子磷酸鐵鋰複合材料複合材料，製成電極片，組裝成電池。聚丙烯膜(Celgard 3501)作為隔膜，鋰金屬作為負極，IM LiPF6溶解在I : I體積混合的碳酸乙酯和碳酸二甲酯中作為電解液。電化學性能的評估在Arbin電池測試儀BT-2000 (Arbin Instruments, College Station, TX)上進行。在室溫下，半電池倍率性能的測試在3到4. 3V電壓範圍內進行。經測試該實施例一和二的的材 料與比較例的材料相t匕，首次放電比容量提升了 60-70%以上，循環壽命提高了 2倍以上。
權利要求
1.一種鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟I，配料 稱取以下原料，各組分的含量以原料組分的摩爾數之和為總量計10-15%的氯化亞鐵、6-12%的磷酸鈉、10-25%的醋酸鋰、5-10%的還原劑、5-10%的催化劑、15-30%的硬脂酸鈉和20-35%的碳納米管； 步驟2，配製混合液 將所述醋酸鋰和磷酸鈉容於所述乙二醇和蒸餾水組成混合溶劑中，配製成總摩爾濃度為l-2mol/L的溶液，其中乙二醇和蒸餾水的體積比為1:2-3，然後進行超聲波分散溶解，依次加入氯化亞鐵、還原劑和催化劑，然後進行超聲波分散溶解，從而得到總摩爾濃度為2-3mol/L的混合液； 步驟3，製備磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體 將硬脂酸鈉加入到上述混合液中，然後進行超聲波分散溶解，加入碳納米管，通過超聲波分散溶解使其充分混合，然後200-25(TC下反應4-8h，反應後冷卻至室溫，將生成物過濾，交替用去離子水和乙醇反覆洗滌，最後得到粉末，將所述粉末在45-50°C下乾燥10-12h，得到磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體； 步驟4，燒結 第一次燒結將磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體中加入到濃度大於或等於85%乙醇分散劑中，並研磨1-2小時，加入佔前驅體重量20-30%的蔗糖後繼續研磨2-4小時，然後在110-130°C無氧條件下進行乾燥； 第二次燒結將乾燥後製得的物料進行第二次燒結，燒結的溫度設定在300°C -350°C ； 第三次燒結將第二次燒結後製得的物料進行第三次燒結，燒結的溫度設定在650-730 0C，得到碳包覆完整的磷酸鐵鋰。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述還原劑為草酸。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述催化劑為二茂鐵。
4.一種如權利要求I所述方法製備的鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料。
全文摘要
本發明公開了一種鋰離子電池用磷酸鐵鋰和碳納米管複合材料及其製備方法，步驟包括稱取氯化亞鐵、磷酸鈉、醋酸鋰、還原劑、催化劑、硬脂酸鈉和碳納米管；將上述原料和溶劑配製成混合液；將硬脂酸鈉加入到上述混合液中，加入碳納米管，充分混合，然後反應，抽濾，洗滌，乾燥，得到磷酸鐵鋰/碳納米管前驅體；三次燒結得到碳包覆完整的磷酸鐵鋰。本發明製備的鋰離子電池正極材料，由於在磷酸鐵鋰上均勻包覆了碳，並且包覆結構完整，具有良好的導電性能，因此在具有高比容量的同時，充放電性能好，具有良好的循環穩定性，用於鋰離子電池時，比容量高，循環穩定性好，使用壽命長。
文檔編號H01M4/58GK102916182SQ20121039203
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者姜波 申請人:上海錦眾信息科技有限公司