一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，属于化工电极材料制造工艺【技术领域】。将钴盐、锂盐、磷酸盐、高分子聚合物溶解在去离子水中，将所得溶液搅拌均匀后静置至澄清；随后进行静电纺丝；将得到的纺丝产物在惰性气氛下煅烧，煅烧反应结束后，待材料冷却至室温，取出产物得到具有纳米纤维形貌的磷酸钴锂正极材料。本发明的方法简单易行，制备参数可控性强，所得产物具有纳米纤维形貌，增加了材料与电解液的接触并有利于锂离子的传输，同时材料与碳产生复合结构，提高了材料的导电性，具有较好的电化学性能，有望成为一种高电压正极材料。
【专利说明】一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，属于化工电极材料制造工艺【技术领域】。
【背景技术】
[0002]锂离子电池自从上世纪90年代初成功开发以来，就以其比能量高、工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染等独特优势而倍受关注，并在手机、数码相机、笔记本电脑等小型便携式电子产品中广泛应用。近年来，为应对汽车工业迅猛发展带来的诸如环境污染、石油资源急剧消耗等负面影响，美国、日本、中国等国家都在积极开展采用清洁能源的电动汽车EV以及混合动力车HEV的研发工作。而锂离子电池作为未来电动汽车最主要的候选动力电源，具有成本低廉、性能优异的特点，已成为国际动力电池领域的主要研究热点，其中作为提高锂离子电池性能的关键因素之一的性能优良电极材料的开发一直是研究的重点。
[0003]目前，在锂离子电池中应用的主要正极材料是磷酸铁锂、钴酸锂、三元素材料，其中磷酸铁锂碳材料以材料本身安全性高、环境友好、资源丰富、循环稳定性高等优点受到广泛的重视，并取得较好的商业应用。但是随着科技与时代的发展，人们对锂离子电池提出了更高的要求，尤其对材料的安全性与能量密度格外重视。在这种趋势下理论能量密度只有586Wh/kg的磷酸铁锂也越来越不能满足人们对锂离子电池高能量密度的期望。磷酸钴锂由于具有与磷酸铁锂相同晶体结构不但兼容了聚阴离子结构的高安全性，其较高的理论能量密度(802Wh/kg)也使其 有望成为替代磷酸铁锂成为下一代锂离子电池正极材料，具有很好的前景和潜力。
[0004]近年来研究人员对磷酸钴锂正极材料进行了一系列的研究，但磷酸钴锂正极材料的合成还存在很大的问题和难点，比如合成工艺较难控制、煅烧温度区间较窄、材料性能较
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【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决现有锂离子电池磷酸钴锂正极材料离子、电子导电性差，合成条件苛刻的问题，以改善锂离子电池磷酸钴锂正极材料的电化学性能，提供了一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0007]本发明的一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，具体步骤为:
[0008]I)依次将摩尔比为1:1:1的锂盐、磷酸盐、钴盐溶解在去离子水中；随后将高分子聚合物加入所得溶液并搅拌均匀后静置至澄清；
[0009]2)将溶液进行静电纺丝；
[0010]3)将步骤2)中得到的纺丝产物在惰性气氛下煅烧，煅烧反应结束后，待材料冷却至室温，取出产物得到具有纳米纤维结构的磷酸钴锂正极材料。[0011]上述步骤I)中钴盐为硫酸钴、硝酸钴、醋酸钴；锂盐为氢氧化锂、硝酸锂、醋酸锂、磷酸二氢锂；磷酸盐为磷酸、磷酸二氢氨、磷酸二氢锂；高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇。其中锂盐、磷酸盐、钴盐的添加量为6?12mmol，高分子聚合物的添加量为600?lOOOmg，去离子水的添加量为10?12ml。
[0012]上述步骤2)所述的静电纺丝的方法为:纺丝设备正高压静电为10?30千伏，接收端附加负高压静电为O?10千伏。
[0013]上述步骤3)中煅烧温度为650?750°C，加热速率为2?5°C /min，煅烧时间为6?12h ;惰性气体为氩气或氮气。
[0014]有益效果
[0015]本发明的制备工艺简单易行，制备参数可控性强，制备所得的磷酸钴锂材料具有纳米纤维形貌，增加了材料与电解液的接触并有利于锂离子的传输，同时材料中碳的引入，提高了材料的导电性，改善了电化学性能，有望作为一种高电压的锂离子电池正极材料。
[0016]本发明选择较为常见的钴盐、锂盐、磷酸盐与高分子聚合物，采用静电纺丝工艺，通过一步煅烧的方法合成磷酸钴锂正极材料，研究了其电化学性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为实施例制备的磷酸钴锂正极材料煅烧前的扫描电镜形貌图；
[0018]图2为实施例制备的磷酸钴锂正极材料煅烧后的扫描电镜形貌图；
[0019]图3为实施例制备的磷酸钴锂正极材料的X射线衍射图谱；
[0020]图4为实施例制备的磷酸钴锂正极材料在17mA/g下的充放电曲线图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例和附图对本发明做详细说明
[0022]实施例1
[0023]一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，具体步骤为:
[0024]I)首先将8mmol的氢氧化锂、磷酸溶解于12ml去离子水中反应生成磷酸二氢锂溶液，再加入Ig聚乙烯吡咯烷酮(分子量为130万)充分搅拌均匀，随后将溶液静置至澄清；
[0025]2)将所得进行静电纺丝，正高压为30kv，接收端采用铝箔，负高压为_5kv。收集到的纺丝产物扫描电镜形貌图如图1所示。
[0026]3)将以上纺丝产物在氩气气氛下煅烧，煅烧温度为750°C，加热速率为5°C /min,反应时间为12h ;反应完成后，待材料温度冷却至室温，取出产物得到具有纳米纤维形貌的磷酸钴锂正极材料，其扫描电镜形貌图如图2所示。
[0027]将得到的磷酸钴锂正极材料进行X射线衍射测试，结果如图3所示，得到的衍射图与标准谱图对比无杂峰说明合成材料无杂项，衍射峰较为尖锐说明材料结晶性较好；将得复合材料直接应用于锂离子电池正极材料后进行充放电比容量测试:磷酸钴锂正极材料作为工作电极，金属锂为对电极，lmol/L的LiF6/EC-DMC(体积比1:1)为电解液，在氩气气氛手套箱中装配成模拟电池。对模拟电池进行充放电测试，电压范围为3?5V(vs.Li+/Li)，电流密度为17mA/g。
[0028]测试结果:磷酸钴锂正极材料在17mA/g下充放电时比容量曲线如图4所示，其放电(嵌锂)比容量为49.3mA.h/g。
[0029]实施例2
[0030]I)首先将12mmol的磷酸二氢锂、硝酸钴溶解于IOml去离子水中，再加入600mg聚乙烯吡咯烷酮(分子量为130万)充分搅拌均匀，随后将溶液静置至澄清；
[0031]2)将所得溶液进行静电纺丝，正高压为10kv，接收端采用铝箔，负高压为-10kv。
[0032]3)将以上纺丝产物在氩气气氛下煅烧，煅烧温度为650°C，加热速率为2V /min,反应时间为6h ;反应完成后，待材料温度冷却至室温，取出产物得到具有纳米纤维形貌的磷酸钴锂正极材料，并对其进行电化学测试。
[0033]将得到的磷酸钴锂正极材料进行X射线衍射测试，得到的衍射图与标准谱图对比无杂峰说明合成材料无杂项，衍射峰较为尖锐说明材料结晶性较好；将得复合材料直接应用于锂离子电池正极材料后进行充放电比容量测试:磷酸钴锂正极材料作为工作电极，金属锂为对电极，lmol/L的LiF6/EC-DMC(体积比1:1)为电解液，在氩气气氛手套箱中装配成模拟电池。对模拟电池进行充放电测试，电压范围为3?5V(vs.Li+/Li)，电流密度为17mA/g。
[0034]测试结果:磷酸钴锂正极材料在17mA/g下放电(嵌锂)比容量为45.1mA.h/g。
[0035]实施例3
[0036]I)首先将6mmol的磷酸二氢锂、硝酸钴溶解于IOml去离子水中，再加入800mg聚乙烯醇充分搅拌至溶解，随后将溶液静置至澄清；
[0037]2)将所得溶液进行静电纺丝，正高压为15kv，接收端采用铝箔，负高压为Okv。
[0038]3)将以上纺丝产物在氮气气氛下煅烧，煅烧温度为700°C，加热速率为2V /min,反应时间为8h ;反应完成后，待材料温度冷却至室温，取出产物得到具有纳米纤维形貌的磷酸钴锂正极材料，并对其进行电化学测试。
[0039]将得到的磷酸钴锂正极材料进行X射线衍射测试，得到的衍射图与标准谱图对比无杂峰说明合成材料无杂项，衍射峰较为尖锐说明材料结晶性较好；将得复合材料直接应用于锂离子电池正极材料后进行充放电比容量测试:磷酸钴锂正极材料作为工作电极，金属锂为对电极，lmol/L的LiF6/EC-DMC(体积比1:1)为电解液，在氩气气氛手套箱中装配成模拟电池。对模拟电池进行充放电测试，电压范围为3?5V(vs.Li+/Li)，电流密度为17mA/g。
[0040]测试结果:磷酸钴锂正极材料在17mA/g下放电(嵌锂)比容量为40.7mA.h/g。
【权利要求】
1.一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于:具体步骤为: 1)依次将摩尔比为1:1:1的锂盐、磷酸盐、钴盐溶解在去离子水中；随后将高分子聚合物加入所得溶液并搅拌均匀后静置至澄清； 2)将溶液进行静电纺丝； 3)将步骤2)中得到的纺丝产物在惰性气氛下煅烧，煅烧反应结束后，待材料冷却至室温，取出产物得到具有纳米纤维结构的磷酸钴锂正极材料。
2.如权利要求1所述的一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于:所述步骤I)中钴盐为硫酸钴、硝酸钴、醋酸钴；锂盐为氢氧化锂、硝酸锂、醋酸锂、磷酸二氢锂；磷酸盐为磷酸、磷酸二氢氨、磷酸二氢锂；高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇；其中锂盐、磷酸盐、钴盐的添加量为6?12mmol，高分子聚合物的添加量为600?lOOOmg，去离子水的添加量为10?12ml。
3.如权利要求1所述的一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于:所述步骤2)所述的静电纺丝的方法为:纺丝设备正高压静电为10?30千伏，接收端附加负高压静电为O?10千伏。
4.如权利要求1所述的一种纳米纤维状磷酸钴锂正极材料的制备方法，其特征在于:所述步骤3)中煅烧温度为650?750°C，加热速率为2?5°C /min，煅烧时间为6?12h ;惰性气体为氩气或氮气。
【文档编号】H01M4/58GK103956486SQ201410124539
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】穆道斌, 许洪亮, 石丽丽, 任永欢, 吴涵锋, 鲍澄宇 申请人:北京理工大学