发明内容:
本发明的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种改进的亚微米LiFePO4的制备方法,此种方法能够使用常压设备,反应过程可以有效防止三价铁在产物中形成降低能耗、节约成本。
本发明亚微米LiFePO4的制备方法,步骤如下:
(1)配料
原料物质包括锂源、铁源、磷源和含掺杂离子的化合物,将铁源、锂源、磷源以及含掺杂离子的化合物按照(锂+掺杂离子)∶铁∶磷的摩尔数比为1∶1∶1,其中掺杂离子∶磷的摩尔数比为0.01~0.15∶1进行配料;或者按照锂∶(铁+掺杂离子)∶磷的摩尔数比为1∶1∶1,其中掺杂离子∶磷的摩尔数比为0.01~0.15∶1进行配料,按锂、铁、磷以及掺杂离子的上述配比计算锂源、铁源、磷源、含掺杂离子的化合物的用量;
(2)反应物混合液的配制
分别将锂源、铁源、磷源以及含掺杂离子的化合物加去离子水配制成溶液,然后在搅拌下于室温、常压将该溶液加入有机溶剂中,形成含锂、铁、磷以及掺杂离子的水-有机溶剂混合液,该混合液的固液比(质量比)为1∶10~1∶2;
(3)合成反应
将上述含锂、铁、磷以及含掺杂离子的化合物的混合液转移至常压容器,搅拌加热去除水份,然后在接近有机溶剂的沸点温度即190℃~320℃、搅拌条件下恒温反应4小时~20小时。反应结束后,经抽滤获滤饼,将滤饼用去离子水洗至无杂质离子检出时,放入真空干燥箱内干燥获粒径为0.1~0.9μm的粉末状LiFePO4(磷酸铁锂),该粉末可直接用于电池极片涂膜用正极材料;
(4)煅烧
将步骤(3)制备的LiFePO4掺入有机碳源,有机碳源的掺入量为LiFePO4重量的5%~20%。用球磨机将LiFePO4与有机碳源混合均匀,然后将LiFePO4和有机碳源的混合物放入煅烧炉中,在惰性气体保护下加热到550℃~700℃保温3小时~10小时,保温结束后随炉冷却至室温即得粒径为0.1~0.9μm的LiFePO4/C(掺碳磷酸铁锂)。
上述方法中,所述锂源为LiOH、LiAc、LiCl、LiH2PO4、LiNO3中的至少一种;磷源为H3PO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、LiH2PO4中的至少一种;铁源为FeSO4、Fe(Ac)2、FeCl2、FeC2O4、Fe3(PO4)2、Fe(NO3)2中的至少一种;含掺杂离子的化合物为含V、Nd、Mn、Mg、Al、Cr、Mo、Ti、Zr、Y、W元素的化合物中的至少一种。
上述方法中,所述有机溶剂为乙二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇中的至少一种。
上述方法中,所述有机碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、硬脂酸、聚丙烯酸中的至少一种。
上述方法中,将滤饼放入真空干燥箱内干燥时,干燥温度为90℃~160℃,干燥时间至少为6小时。
上述方法制备的LiFePO4振实密度为0.9g/cm3~1.45g/cm3,形貌为类球形,具有橄榄石型晶体结构。
为了在保护环境的同时充分利用资源,本发明所述方法对抽滤分离出的滤液进行处理后可重复利用。
本发明具有以下有益效果:
1、由于本发明所述方法中锂+掺杂离子、铁、磷的摩尔比为1∶1∶1,或锂、铁+掺杂离子、磷的摩尔比为1∶1∶1因而大大减少了锂的用量,实现了成本的降低。
2、由于本发明所述方法在多羟基有机溶剂中反应,因而能有效防止产物中三价铁的形成。
3、本发明所述方法制备的LiFePO4和LiFePO4/C平均粒径在0.1~0.9微米之间,振实密度为0.9g/cm3~1.45g/cm3,形貌为类球形,无明显团聚。
4、本发明所述方法制备的LiFePO4具有橄榄石型晶体结构,在后续碳包覆处理时可采取较短时间、较低温度下进行,从而能够降低能耗,节约成本。
5、本发明所述方法制备的LiFePO4和LiFePO4/C电化学性能优异,其0.1C放电比容量均在140mAh/g以上。
6、由于本发明所述方法对抽滤分离出的母液进行重复利用,因而既有利于环境保护,又有利于提高经济效益。
具体实施方式:
下面通过实施例对本发明所述方法作进一步说明。下述实施例中,锂源、铁源和磷源均为分析纯试剂。
实施例1:
本实施例中,LiFePO4和LiFePO4/C制备方法的工艺步骤如下:
(1)配料合成LiFePO4
铁源:FeSO4·7H2O 55.61克即铁0.2mol;
磷源:(NH4)2HPO426.40克即磷0.2mol;
锂源:LiOH·H2O 7.98克即锂0.19mol;
含掺杂离子的化合物:NH4VO31.17克即掺杂离子钒0.01mol
操作为:
将FeSO4·7H2O加50mL去离子水配制成铁源溶液,将LiOH·H2O加50mL去离子水配制成锂源溶液,将(NH4)2HPO4和NH4VO3加150mL去离子水配制成磷和掺杂离子源溶液,然后在常温、常压、搅拌下将磷和掺杂离子源溶液滴入锂源溶液中,再在搅拌下将铁源溶液加入锂源溶液和磷及掺杂离子源溶液的混合液中形成含锂、铁、磷和掺杂离子的混合液;将所述含锂、铁、磷和掺杂离子的混合液转移至200mL二甘醇中,将搅拌转速设定为150rpm,用电加热套加热除去多余的水份,当反应温度到达二甘醇沸点附近240℃时装上回流冷却装置并开始计时,在240℃保温6小时。
保温结束后关闭加热开关,取出反应后的固液混合物,进行抽滤分离获滤饼,用去离子水洗涤滤饼,洗涤至用浓度0.1mol/L的BaCl2溶液与洗水混合后无沉淀产生为止。将洗涤后的滤饼放入真空干燥箱内,于110℃干燥8小时获粉末状LiFePO4,其X射线衍射谱图见图1,其平均粒径为0.31微米,扫描电镜照片见图3。对抽滤分离出的滤液进行回收二甘醇。
(2)煅烧
将步骤(1)制备的LiFePO4称量20克,掺入3克葡萄糖,用球磨机将LiFePO4和葡萄糖混合均匀,然后将LiFePO4和葡萄糖的混合物放入管式炉中在氮气保护下以10℃/min的升温速率升温到650℃保温6小时,保温结束后随炉冷却至室温即获LiFePO4/C,其X射线衍射谱图见图2,其平均粒径为0.42微米,扫描电镜照片见图4,振实密度为1.13g/cm3。
将本实施例制备的LiFePO4和LiFePO4/C分别进行充放电性能测试:测试用CR2032扣式电池。其中LiFePO4正极材料由本实施例所制备的LiFePO4、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)组成,即LiFePO4∶乙炔黑∶聚偏氟乙烯的质量比为8∶1.2∶0.8;LiFePO4/C正极材料由本实施例制备的LiFePO4/C、乙炔黑、聚偏氟乙烯组成,其质量比为8∶1∶1。分别将上述正极材料以N-甲基吡咯烷酮为溶剂调成浆料后涂到8×8厘米的铝箔上,真空条件下90℃干燥12小时得到正极片。将正极片切成ф16mm的圆片并称重,以ф18mm金属锂片为负极,Celgard 2400为隔膜,1mol/L的LiPF6碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶液(体积比EC∶DMC=1∶1)为电解液,将正极片、负极、电解质、隔膜等在惰性气体保护的手套箱中装配成电池进行电化学性能测试,电压范围为2.5V~4.3V。通过本实施例制备的LiFePO4和LiFePO4/C在0.1C倍率下的放电比容量分别为142mAh/g和153mAh/g,图5和图6分别是该LiFePO4和LiFePO4/C充放电平台曲线,图7和图8分别是该LiFePO4和LiFePO4/C在0.1C~2C充放电循环次数与比容量关系曲线。
实施例2:
本实施例中,LiFePO4和LiFePO4/C制备方法的工艺步骤如下:
(1)配料合成LiFePO4
铁源:FeSO4·7H2O 55.61克即铁0.2mol;
磷源:(NH4)2HPO426.40克即磷0.2mol;
锂源:LiOH·H2O 7.55克即锂0.18mol;
含掺杂离子的化合物:MgSO4·7H204.94克即掺杂离子镁0.02mol
有机溶剂:乙二醇200mL。
操作与实施例1基本相同,与实施例1不同的是:当反应温度到达190℃时开始计时,在190℃保温10小时。
(2)煅烧
将步骤(1)制备的LiFePO4称量20克,掺入2克蔗糖,用球磨机将LiFePO4和蔗糖混合均匀,然后将LiFePO4和蔗糖的混合物放入管式炉中在氮气保护下加热到650℃保温6小时,保温结束后随炉冷却至室温即获LiFePO4/C,该样品平均粒径为0.45微米,振实密度为1.16g/cm3,室温在0.1C倍率下的首次放电比容量为155mAh/g。
实施例3:
本实施例中,LiFePO4和LiFePO4/C制备方法的工艺步骤如下:
(1)配料合成LiFePO4
铁源:Fe(Ac)2·4H2O 46.74克即铁0.19mol;
磷源和锂源:LiH2PO410.393克即磷0.2mol,锂0.2mol,;
含掺杂离子的化合物:Mn(Ac)2·4H2O 2.45克即掺杂离子锰0.01mol
有机溶剂:四甘醇250mL。
操作为:
将Fe(Ac)2·4H2O和Mn(Ac)2·4H2O加50mL去离子水配制成铁源和掺杂离子源溶液,将LiH2PO4加100mL去离子水配制成锂源溶液,在搅拌下将铁源-掺杂离子源溶液和锂源溶液加入到250mL四甘醇中形成含锂、铁、磷和掺杂离子的混合液;将搅拌转速设定为150rpm,用电加热套加热除去水分,当反应温度到达四甘醇沸点附近310℃时装上回流冷却装置并开始计时,在310℃保温反应5小时;
保温结束后关闭加热开关,然后取出反应后的固液混合物,进行抽滤分离获滤饼,将滤饼放入真空干燥箱内,于110℃干燥8小时获粉末状LiFePO4;对抽滤分离出的滤液进行回收四甘醇。
(2)煅烧
将步骤(1)制备的LiFePO4称量20克,掺入2.4g柠檬酸,用球磨机将LiFePO4和柠檬酸混合均匀,然后将LiFePO4和柠檬酸的混合物放入管式炉中在氮气保护下以10℃/min的升温速率升温到550℃保温6小时,保温结束后随炉冷却至室温即获LiFePO4/C,该样品平均粒径为0.65微米,振实密度为1.22g/cm3,室温在0.1C倍率下的首次放电比容量为149mAh/g。
实施例4:
本实施例中,LiFePO4和LiFePO4/C制备方法的工艺步骤如下:
(1)配料合成LiFePO4
铁源:FeCl2··4H2O37.81克即铁0.198mol;
磷源:(NH4)2HPO426.40克即磷0.2mol;
锂源:LiOH·H2O 8.4克即锂0.2mol,;
含掺杂离子的化合物:TiCl40.38克即掺杂离子钛0.002mol
有机溶剂:三甘醇300mL。
操作为:
将FeCl2·4H2O加50mL去离子水配制成铁源溶液,将(NH4)2HPO4加50mL去离子水配制成磷源溶液,将LiOH·H2O加50mL去离子水配制成锂源溶液,在搅拌下将铁源、磷源和锂源溶液加入300mL三甘醇中形成含锂、铁、磷的混合液;搅拌下加入掺杂离子TiCl4液,将所述含锂、铁、磷和掺杂离子的混合液移至电加热套中,将搅拌转速设定为150rpm,用电加热套加热除去水分,当反应温度到达三甘醇沸点附近280℃时装上回流冷却装置并开始计时,在280℃保温5小时。
保温结束后关闭加热开关,然后取出反应后的固液混合物,进行抽滤分离获滤饼,用去离子水洗涤滤饼,洗涤至用浓度0.1mol/L的AgNO3溶液与洗水混合后无沉淀产生为止,将洗涤后的滤饼放入真空干燥箱内,于110℃干燥8小时获粉末状LiFePO4;对抽滤分离出的滤液进行回收三甘醇。
(2)煅烧
将步骤(1)制备的LiFePO4称量20克,掺入2.2克聚丙烯酸,用球磨机将LiFePO4和聚丙烯酸混合均匀,然后将LiFePO4和聚丙烯酸的混合物放入管式炉中在氮气保护下以10℃/min的升温速率升温到700℃保温5小时,保温结束后随炉冷却至室温即获LiFePO4/C,该样品平均粒径为0.62微米,振实密度为1.20g/cm3,室温在0.1C倍率下的首次放电比容量为146mAh/g。
实施例5:
本实施例中,LiFePO4和LiFePO4/C制备方法的工艺步骤如下:
(1)配料合成LiFePO4
铁源:FeC2O4·2H2O 34.2克即铁0.19mol;
磷源:(NH4)2HPO426.40克即磷0.2mol;
锂源:LiOH·H2O 8.4克即锂0.2mol,;
含掺杂离子的化合物:含铌15%的草酸铌6.2克即掺杂离子铌0.01mol
有机溶剂:三甘醇200mL。
操作为:
将(NH4)2HPO4加50mL去离子水配制成磷源溶液,将LiOH·H2O加50mL去离子水配制成锂源溶液,将草酸铌加50mL去离子水配制成铌源溶液,在搅拌下将铁源FeC2O4·2H2O、磷源溶液和锂源溶液加入200mL三甘醇中形成含锂、铁、磷的悬浮液;搅拌下加入掺杂离子铌源溶液,将所述含锂、铁、磷和掺杂离子的混合液移至电加热套中,将搅拌转速设定为150rpm,用电加热套加热除去多余的水份,当反应温度到达三甘醇沸点附近280℃时装上回流冷却装置并开始计时,在280℃保温8小时。
保温结束后关闭加热开关,然后取出反应后的固液混合物,进行抽滤分离获滤饼,将滤饼放入真空干燥箱内,于110℃干燥8小时获粉末状LiFePO4;对抽滤分离出的滤液进行回收三甘醇。
(2)煅烧
将步骤(1)制备的LiFePO4称量20克,掺入2.4g葡萄糖,用球磨机将LiFePO4和葡萄糖混合均匀,然后将LiFePO4和葡萄糖的混合物放入管式炉中在氮气保护下以10℃/min的升温速率升温到550℃保温6小时,保温结束后随炉冷却至室温即获LiFePO4/C,该样品平均粒径为0.56微米,振实密度为1.18g/cm3,室温在0.1C倍率下的首次放电比容量为144mAh/g。
实施例6:
本实施例中,LiFePO4和LiFePO4/C制备方法的工艺步骤如下:
(1)配料合成LiFePO4
铁源:Fe3(PO4)2·8H2O 50.2克即铁0.3mol;
磷源:85%的磷酸11.53克即磷0.1mol,以及上述铁源同时也是磷源之一的
Fe3(PO4)2·8H2O 50.2克即磷0.2mol;
锂源:LiOH·H2O11.97克即锂0.285mol,;
含掺杂离子的化合物:AlCl32.0克即掺杂离子铝0.015mol
有机溶剂:二甘醇200mL。
操作为:
将LiOH·H2O加100mL去离子水配制成锂源溶液,将H3PO4加10mL去离子水配制成磷酸溶液,AlCl3加50mL去离子水配制成掺杂离子源溶液,然后在搅拌下于常温、常压下将磷酸亚铁Fe3(PO4)2·8H2O、磷酸溶液和掺杂离子源溶液加入200mL二甘醇中,然后向其中加入锂源溶液,在搅拌下形成含锂、铁、磷和掺杂离子的混合悬浮液;将所述含锂、铁、磷和掺杂离子的混合液移至电加热套中,将搅拌转速设定为150rpm,用电加热套加热除去多余的水份,当反应温度到达二甘醇沸点附近240℃时装上回流冷却装置并开始计时,在240℃保温12小时。
保温结束后关闭加热开关,然后取出反应后的固液混合物,进行抽滤分离获滤饼,将滤饼洗涤后放入真空干燥箱内,于110℃干燥8小时获粉末状LiFePO4;对抽滤分离出的滤液进行回收二甘醇。
(2)煅烧
将步骤(1)制备的LiFePO4称量15克,掺入2.4g硬脂酸,用球磨机将LiFePO4和硬脂酸混合均匀,然后将LiFePO4和硬脂酸的混合物放入管式炉中在氮气保护下以10℃/min的升温速率升温到700℃保温3小时,保温结束后随炉冷却至室温即获LiFePO4/C,该样品平均粒径为0.48微米,振实密度为1.15g/cm3,室温在0.1C倍率下的首次放电比容量为145mAh/g。
在上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明,但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。