一种提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磷酸铁锂正极材料的制备方法，属于锂离子电池领域。
【背景技术】
[0002] 1997年，Goodenough的课题组首次报道锂离子正极材料LiFePO4，其理论比容量为 170mAh/g，大于已商品化的LiCoO 2的实际放电比容量。而且LiFePO 4具有良好的循环性能， 在3. 45V附近有稳定的放电平台。LiFePO4是目前动力电池中主要使用的电极材料，其主要 优点有电压平台稳定，原料廉价丰富，环境友好，低毒性且由于良好的高温稳定性使其具有 较高的安全性。
[0003] LiFePO4为斜方晶系橄榄石型结构，属于Pmnb空间群，其晶格常数为 a=6.0Lib=i().33i, c=4.693儿LiFePO^晶体结构在400°C时仍能保持稳定，但是LiCoO2 在250°C就开始分解，使其循环性能和安全性大大提高。锂离子在LiFePOwl格中沿一维通 道迀移，大大限制了其扩散速率，而且一维通道很容易由于杂质缺陷的出现而阻塞，使其离 子电导率进一步降低。由于〇原子与Fe和P的结合键非常强，使得LiFePO 4结构与LiCoO 2 等层状结构相比，有很好的高温稳定性，然而，强的P-O键也会导致离子扩散速率（10 13~ 10 16cm 2S 3和电子电导率（~10 9cm · s 3降低。
[0004] 目前合成磷酸铁锂的方法有：高温固相法，溶胶-凝胶法，水热法，碳热还原法，喷 雾热解法等，但只有高温固相法广泛应用于工业生产。
[0005] LiFePO4较低的离子电导率和电子电导率，使其实际放电容量降低，极化现象严 重，倍率性能也很不理想。人们对其进行了广泛而深入的研究，通过降低粒径可以改善其电 化学性能；在其表面包覆一层导电的无定型碳网，不仅能提高电子电导率而且还能抑制晶 粒的长大，进而有效提高离子电导率；人们还通过对Li位或Fe位进行高价阳离子掺杂形成 P-型半导体来提高其电导率。这些改性方式对其离子电导率和电子电导率都产生了很大的 影响，从而提高了其放电容量，循环寿命以及倍率性能。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，该制备方 法不但能广泛应用于工业生产，而且电化学性能提升明显。
[0007] 研究发现，当电子电导率达到10 2cm · s 1左右时，离子电导率对LiFePO 4电化学性 能将起主要作用。通过包覆无定型碳网，电子电导率可达到10 3-1〇 2cm · s \通过Si掺杂 可进一步提升电子电导率，再通过包覆硅酸锂固态电解质，就能大大提高其离子电导率。在 此基础上，本发明采用工业上广泛使用的固相法制备LiFePO 4E极材料，通过简单有效的方 式进行改性，同时提高其电子电导率和离子电导率，从而使电化学性能明显提升。本发明的 创新性在于采用一种廉价丰富的Si元素，通过内掺和外包覆的措施，解决了电子电导和锂 离子扩散速率两方面的问题。
[0008] 本发明的具体技术方案为：
[0009] -种提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其包括以下步骤：
[0010] 制备硅掺杂的基体：按铁、锂、磷和硅元素的摩尔比为1:0.95~1.05:0.90~ 0. 99:0. 01~0. 10,将二价铁盐、锂盐、磷酸盐和硅源混合，加入分散剂，以转速200~ 500rpm球磨4~16小时，将球磨产物干燥后，在保护气氛下300~500°C烧结6~12小时， 随炉冷却至室温，研磨，得到预烧产物，即硅掺杂的基体；以及
[0011] 包覆无定型碳和纳米硅酸锂：将预烧产物、碳源和硅酸锂混合，加入去离子水中， 搅拌0. 5~4小时，干燥后在保护气氛下600~900°C恒温焙烧6~12小时，随炉冷却至室 温，研磨，即制得改性的磷酸铁锂粉末。
[0012] 根据本发明，在一些实施例中，制备硅掺杂的基体时，铁、锂、磷和硅元素的摩尔比 采用下述比例中的一种：1:1:0. 91:0. 09,1:1:0. 92:0. 08,1:1:0. 93:0. 07,1:1:0. 94:0. 06， 1:1:0. 95:0. 05,1:1:0. 96:0. 04,1:1:0. 97:0. 03,1:1:0. 98:0.02,1:0.97:0.91:0.09， 1:0.97:0.92:0.08, 1:0.97:0.93:0.07, 1:0.97:0.94:0.06, 1:0.97:0.95:0.05, 1:0.97:0.96:0.04, 1:0.97:0.97:0.03,1:0.97:0.98:0.02,I:1. 03:0. 91:0. 09， 1: 1. 03:0. 92:0. 08, 1 ： 1. 03:0. 93:0. 07, 1 ： 1. 03:0. 94:0. 06, 1 ： 1. 03:0. 95:0. 05, 1:1. 03:0. 96:0. 04,1:1. 03:0. 97:0. 03,1:1. 03:0. 98:0. 02。但本发明并不限于上述这些比 例，以铁元素为基数（1摩尔），锂元素可以是0. 95~1. 05摩尔之间的任何值，磷元素可以 是0. 90~0. 99摩尔之间的任何值，娃元素可以是0. 01~0. 10摩尔之间的任何值，但磷元 素和硅元素的摩尔数之和应等于1。
[0013] 优选地，包覆在基体表面的无定型碳的质量分数为2~10 %，例如2 %、2. 5 %、 3%、3· 5%、4%、4· 5%、5%、5· 5%、6%、6· 5%、7%、7· 5%、8%、8· 5%、9%、9· 5%。包覆在 基体表面的硅酸锂盐的质量分数为0. 5~5%，例如0. 5%、1%、1. 5%、2%、2. 5%、3%、 3. 5%、4%、4· 5%、5%〇
[0014] 优选地，所述二价铁盐为草酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁或硝酸亚铁。
[0015] 优选地，所述锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂、硝酸锂或醋酸锂。
[0016] 优选地，所述磷酸盐为磷酸二氢铵或磷酸氢二铵。
[0017] 优选地，所述硅源为正硅酸乙酯、硅酸或二氧化硅。
[0018] 优选地，所述分散剂为无水乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇或正丁醇。
[0019] 优选地，所述碳源为柠檬酸、蔗糖、葡萄糖或淀粉。
[0020] 优选地，所述硅酸锂为1^#06、1^如04、1^ (^207、1^如205和1^如 2011中的一种或 几种。
[0021] 优选地，所述保护气氛为氮气、氩气或氩气与氢气的混合气体。
[0022] 本发明具有以下有益效果：
[0023] 本发明采用工业上广泛使用的固相法制备磷酸铁锂正极材料，工艺成熟，同时利 用硅掺杂以及无定型碳和纳米硅酸锂包覆对其进行改性，获得的磷酸铁锂晶粒尺寸大小均 匀、比容量高、循环性能极佳、具有稳定的充放电平台，在大倍率充放电情况下能保持较高 的库伦效率。
【附图说明】
[0024] 图1为实施例1制得的产物的X射线衍射图谱；
[0025] 图2为实施例1制得的产物的扫描电镜图；
[0026] 图3为实施例1制得的产物的循环性能曲线。
【具体实施方式】 [0027] 实施例1 :
[0028] 首先将草酸亚铁、碳酸锂、磷酸二氢铵和正硅酸乙酯按照铁、锂、磷和硅元素的摩 尔比为：1:1:0. 97:0. 03混合，加入适量丙酮作为分散剂，以350rpm的转速球磨12小时，干 燥后将所得产物在氩气保护气氛下450°C (升温速率为5°C /min)烧结10小时，随炉冷却 至室温，将得到的产物在玛瑙研钵中研磨，得到预烧产物，即硅掺杂的基体。
[0029] 然后包覆无定型碳和纳米硅酸锂：将预烧产物与马铃薯淀粉和硅酸锂在去离子水 中混合，磁力搅拌作用下充分混合，升温至50°C使淀粉糊化，保温30min后升温至70°C蒸 干，将产物在氩气气氛的管式炉中700°C (升温速率为5°C /min)下保温10小时，随炉冷却 至室温，研磨后过300目标准筛，得到所需正极材料，即改性的磷酸铁锂粉末。其中，包覆在 基体表面的无定型碳的质量分数为5. 8%，包覆在基体表面的硅酸锂的质量分数为1. 5%。
[0030] 图1示出了制得的正极材料的X射线衍射图谱。
[0031] 图2示出了制得的正极材料的扫描电镜图。可以看出，该正极材料晶粒尺寸大小 均匀。
[0032] 图3示出了制得的正极材料在5C、25°C、2. 5-4. 2V的循环性能曲线。可以看出，该 正极材料比容量高、循环性能极佳、具有稳定的充放电平台，在大倍率充放电情况下能保持 较高的库伦效率。
【主权项】
1. 一种提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以 下步骤： 制备硅掺杂的基体：按铁、锂、磷和硅元素的摩尔比为1:0.95~1.05:0.90~ 0. 99:0. 01~0. 10,将二价铁盐、锂盐、磷酸盐和硅源混合，加入分散剂，以转速200~ 500rpm球磨4~16小时，将球磨产物干燥后，在保护气氛下300~500°C烧结6~12小时， 随炉冷却至室温，研磨，得到预烧产物，即硅掺杂的基体；以及 包覆无定型碳和纳米硅酸锂：将预烧产物、碳源和硅酸锂混合，加入去离子水中，搅拌 0. 5~4小时，干燥后在保护气氛下600~900°C恒温焙烧6~12小时，随炉冷却至室温， 研磨，即制得包覆改性的磷酸铁锂粉末。2. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 包覆在基体表面的无定型碳的质量分数为2~10%，包覆在基体表面的硅酸锂的质量分数 为0? 5~5%〇3. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述二价铁盐为草酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁或硝酸亚铁。4. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂、硝酸锂或醋酸锂。5. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述磷酸盐为磷酸二氢铵或磷酸氢二铵。6. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述硅源为正硅酸乙酯、硅酸或二氧化硅。7. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述分散剂为无水乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇或正丁醇。8. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述碳源为柠檬酸、蔗糖、葡萄糖或淀粉。9. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述硅酸锂为 LisSi06、Li4Si04、Li6Si 207、Li2Si2O5和 Li 2Si20n 中的一种或几种。10. 根据权利要求1所述的提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其特征在于： 所述保护气氛为氮气、氩气或氩气与氢气的混合气体。
【专利摘要】一种提高磷酸铁锂正极材料倍率性能的制备方法，其包括以下步骤：按铁、锂、磷和硅元素的摩尔比为1:0.95～1.05:0.90～0.99:0.01～0.10，将二价铁盐、锂盐、磷酸盐和硅源混合，加入分散剂，以转速200～500rpm球磨4～16小时，将球磨产物干燥后，在保护气氛下300～500℃烧结6～12小时，随炉冷却至室温，研磨，得到预烧产物，即硅掺杂的基体；将预烧产物、碳源和硅酸锂混合，加入去离子水中，搅拌0.5～4小时，干燥后在保护气氛下600～900℃恒温焙烧6～12小时，随炉冷却至室温，研磨，即制得改性的磷酸铁锂粉末。其不但能广泛应用于工业生产，而且电化学性能提升明显。
【IPC分类】H01M4/36, H01M4/58, H01M4/62, H01M4/136, H01M10/0525, H01M4/1397
【公开号】CN105118969
【申请号】CN201510645377
【发明人】赵世玺, 赵建伟, 程红美, 陈昌科
【申请人】清华大学深圳研究生院
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年10月8日