锑‑铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料及其制备方法与流程

本发明属于锂离子电池正极材料领域，具体地涉及一种锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料及其制备方法。

背景技术：

磷酸铁锂是一种新型的锂离子电池正极材料，其安全性能与循环寿命是其它电池材料无法比拟的，由于lifepo4不具有层状licoo2、limno2和尖晶石状limn2o4的二维或三维li迁移通道，纯lifepo4的离子扩散系数(dli<10^-14cm²/s)和电子电导率(约10^-9s/cm)极低，导致lifepo4大电流充电时容量不能全部发挥而影响其广泛应用。此外，其振实密度低也阻碍其在动力电池正极材料中的应用。因此，人们开展了大量工作通过掺杂包覆来改性磷酸铁锂，以提高其导电性能和电化学性能。

氧化锡是一种宽禁带n型金属氧化物半导体材料。对氧化锡进行掺杂后，其性质有显著变化，具有高导电率、高透射率以及较好的气敏特性等，因此掺杂的氧化锡已广泛应用到气体传感器、催化、涂料、电极材料等诸多领域。

目前,授权公告号为cn103066278b和cn102610817b的专利分别报道了钒掺杂氧化锡和氟掺杂氧化锡作为导电剂在磷酸铁锂材料的应用，对于多元素掺杂的氧化锡作为导电剂用于增强磷酸铁锂材料的导电性还未见有报道。此外,本发明采用水热法对磷酸铁锂进行包裹,可以避免cn103066278b和cn102610817b使用的固相法中的烧结现象,提高颗粒大小的均匀性,有利于材料容量的发挥。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料及其制备方法，通过在磷酸铁锂颗粒表面包裹锑-铬掺杂氧化锡导电层,形成均匀的导电网络,以提高纯磷酸铁锂的导电性能和电化学性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一方面,一种锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料的制备方法，包含如下步骤:1)按照摩尔比为2:1:1将锂源、铁源和磷源混合,研磨后加入去离子水形成流变相，85℃保温烘干6h得到前驱体；2)将前驱体在保护气氛下，850℃煅烧10h、冷却后得到磷酸铁锂；3)按照摩尔比1:0.03:0.01:0.01:0.06取上述磷酸铁锂、锡盐、铬盐和氢氧化钠,加去离子水混合、超声分散后置于反应釜,密封后置于烘箱中180～220℃反应20～30h,冷却至室温,经洗涤后于烘箱中50～75℃干燥15～20h,即得锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。

进一步地,步骤1)中所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂或草酸锂；所述铁源为硝酸铁、乙酸铁或草酸铁；所述磷源为磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸铵或磷酸。

进一步地,步骤2)中所述的保护性气体是氮气、氩气、氦气或氖气中的一种。

进一步地,步骤3)中所述超声分散的时间为10～20min。

进一步地,步骤3)中所述洗涤所用溶剂为去离子水、/乙醇。

进一步地,步骤3)中所述锑盐为氯化锑或硝酸锑；所述铬盐为氯化铬或硝酸铬。

根据本发明另一方面，提供了利用上述任意一种制备方法得到的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。

此外，本发明还提供了锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料在作为锂离子电池正极材料的应用。

相对于现有技术，本发明所述的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料具有以下有益效果：

本发明为锂离子二次电池正极材料提供了一种新的材料，同时提供了该材料的制备方法，所述锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂可逆比容量平均值为157.0mah/g,纯磷酸铁锂的克容量一般为140～150mah/g,本发明提供的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂比纯磷酸铁锂的可逆比容量提高7～17mah/g；循环500次时放电容量为155.3mah/g，容量保持率为97.6％,具有更高克容量和较好电化学性能。

附图说明

图1为实施例3所述的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂xrd图谱；

图2为实施例3所述的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂sem图谱；

图3为实施例3所述的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂循环性能曲线。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

本发明一种典型的实施方式提供了一种锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料的制备方法，包含如下步骤:1)按照摩尔比为2:1:1将锂源、铁源和磷源混合,研磨后加入去离子水形成流变相，85℃保温烘干6h得到前驱体；2)将前驱体在保护气氛下，850℃煅烧10h、冷却后得到磷酸铁锂；3)按照摩尔比1:0.03:0.01:0.01:0.06取上述磷酸铁锂、锡盐、铬盐和氢氧化钠,加去离子水混合、超声分散后置于反应釜,密封后置于烘箱中180～220℃反应20～30h,冷却至室温,经洗涤后于烘箱中50～75℃干燥15～20h,即得锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。

本发明首先通过流变相得到结晶度良好的磷酸铁锂材料，由于锂盐再烧结过程中容易挥发,因此,加入量要过量；锑和铬的原子半径分别为和与锡的原子半径非常接近,同时对氧化锡进行掺杂,在确保掺杂效率的前提下,还可以在晶格空间上形成比单一元素掺杂更紧密的结构,缩短锂离子迁移的距离，从而有效提高磷酸铁锂的导电性能；然后将锑-铬掺杂的磷酸铁锂采用水热法对磷酸铁锂进行包裹,可以避免固相法中的烧结现象,提高颗粒大小的均匀性,有利于材料容量的发挥。

在上述优选的实施方式中，步骤1)中所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂或草酸锂；所述铁源为硝酸铁、乙酸铁或草酸铁；所述磷源为磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸铵或磷酸。步骤2)中所述的保护性气体是氮气、氩气、氦气或氖气中的一种,采用的保护性气氛阻碍了铁离子氧化,起到了保护性作用。

在上述优选的实施方式中，步骤3)中所述超声分散的时间为10～20min,通过超声分散使得各反应物在水中混合均匀,有利于形成更均匀得包覆层；步骤3)中所述洗涤所用溶剂为去离子水、/乙醇,用于清洗反应产物表面的钠离子和氯离子,得到高纯度的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。

在上述优选的实施方式中，步骤3)中所述锑盐为氯化锑或硝酸锑；所述铬盐为氯化铬或硝酸铬。

本发明一种典型的实施方式提供了由上述实施方式制备得到的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。该锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料可以作为锂离子电池正极材料。

下面结合实施例对本发明技术方案及其有益效果做进一步的说明:

实施例1

将氢氧化锂、硝酸铁和磷酸铵按照摩尔比2:1:1进行称量，混合均匀后，充分研磨，加入适量去离子水，搅拌15min，调制成流变相,放于水热釜中，置于烘干箱中，85℃保温6h，接着85℃烘干，研磨，于管式炉中n2气氛中850℃煅烧10h，自然冷却后得到磷酸铁锂；将磷酸铁锂、氯化亚锡、氯化锑、氯化铬和氢氧化钠按照摩尔比1:0.03:0.01：0.01：0.06进行称量于烧杯中,加入50ml去离子水,超声分散10min,将反应液转移至100ml反应釜中,密封后置于烘箱内,180℃反应20h,待自然冷却至室温,用水洗涤,放入烘箱内,50℃干燥15h,即得锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。

实施例2

将碳酸锂、硝酸铁和磷酸铵按照摩尔比1:1:1进行称量，混合均匀后，充分研磨，加入适量去离子水，搅拌15min，调制成流变相,放于水热釜中，置于烘干箱中，85℃保温6h，接着85℃烘干，研磨，于管式炉中氩气气氛中850℃煅烧10h，自然冷却后得到磷酸铁锂；将磷酸铁锂、氯化亚锡、硝酸锑、硝酸铬和氢氧化钠按照摩尔比1:0.03:0.01：0.01：0.06进行称量于烧杯中,加入50ml去离子水,超声分散20min,将反应液转移至100ml反应釜中,密封后置于烘箱内,220℃反应30h,待自然冷却至室温,用水洗涤,放入烘箱内,75℃干燥20h,即得锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。

实施例3

将草酸锂、硝酸铁和磷酸铵按照摩尔比1:1:1进行称量，混合均匀后，充分研磨，加入适量去离子水，搅拌15min，调制成流变相,放于水热釜中，置于烘干箱中，85℃保温6h，接着85℃烘干，研磨，于管式炉中氦气气氛中850℃煅烧10h，自然冷却后得到磷酸铁锂；将磷酸铁锂、氯化亚锡、氯化锑、氯化铬和氢氧化钠按照摩尔比1:0.03:0.01：0.01：0.06进行称量于烧杯中,加入50ml去离子水,超声分散15min,将反应液转移至100ml反应釜中,密封后置于烘箱内,200℃反应25h,待自然冷却至室温,用水洗涤,放入烘箱内,60℃干燥18h,即得锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料。

结构表征

对实施例3中合成的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料进行了xrd测试，由图1可知，锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料的xrd峰尖锐，特征峰明显；所得样品的xrd图谱与纯磷酸铁锂图谱的峰形一一对称，这说明掺杂包覆并没有改变磷酸铁锂的晶体结构。

对实施例3中合成的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料进行了sem测试，图2放大倍数为5000。可知，锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料晶粒生长较完整，整体呈菱形状。

电化学性能测试

电化学性能测试通过组装cr2025型纽扣半电池进行测试来实现。正极材料的质量组成为实施例1中的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料：碳黑：聚偏氟乙烯(pvdf)＝90:2:8,加入适量的n-甲基吡咯烷酮搅拌至均匀状态形成匀浆，然后将匀浆涂覆于铝箔上，烘干，抽真空，再辊压、裁剪成正极片；以金属锂片为负极；隔膜为厚度16微米美国enteklp16型pe隔膜；电解液为1mol/l的lipf6的电解液；其中溶剂由体积比为1:1的碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二甲酯(dmc)组成；在氩气气氛下,水含量和氧含量均小于0.1ppm的手套箱中组装成电池,记为组1。实施材料例2和3中的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料按照上述步骤制作扣电池，记为组2和3。1.可逆比容量

在温度为25℃的条件下,对上述扣电池做充放电测试,测试条件为电压范围2.2～3.65v,充放电电流为0.1c。结果表明,通过对组1-3进行测试,得到的可逆比容量分别为157.8mah/g、154.0mah/g和159.1mah/g,可逆比容量的均值为157.0mah/g,纯磷酸铁锂的克容量一般为140～150mah/g,实施例比纯磷酸铁锂材料的可逆比容量提高7～17mah/g。

2.循环性能

将实施例3中的锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料做成16ah全电池进行循环测试，循环数据如图3所示,1c循环500次时放电容量为153.3mah/g，容量保持率为97.6％,说明锑-铬掺杂氧化锡包覆的磷酸铁锂材料循环性能良好。

锑-铬掺杂的氧化锡在磷酸铁锂颗粒表面形成一层致密的导电层，大大改善了磷酸铁锂的导电性能，可逆比容量比单一元素掺杂氧化锡包裹的磷酸铁锂提高；还能减少lifepo4和电解液的副反应,改善了循环性能，使其更好地应用于锂电池领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。