CN102420327A - 碳处理的正极材料以及它的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备正极材料的方法，该方法包括：提供正极材料的颗粒材料；在正极材料颗粒上包覆碳层，其中，所述的碳层来源于碳源化合物；其中，该方法还包括步骤（1）：让碳源化合物，在小于或等于0℃的温度下与颗粒材料混合。通过该方法使碳包覆过程中磷酸亚铁锂粉体不发生团聚现象，碳包覆后的体积仅小幅度增加，可进一步使纳米级磷酸亚铁锂材料在碳包覆后仍能维持纳米级尺寸。

Description

碳处理的正极材料以及它的制备方法
技术领域
本发明与电池正极材料有关，特别的，与使用在电动工具、消费性电子、电动车的锂离子电池的正极材料有关，例如磷酸亚铁锂(化学式：LiFePO4)。
背景技术
锂离子电池是指其中的锂离子(Li+)嵌入和脱嵌正负极材料的一种可充放电的电池，其正极一般采用嵌锂化合物，如层状晶体结构的钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)与尖晶石晶体结构的锰酸锂(LiMn2O4)。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入到负极，同时电子的补偿电荷从外部电路供给到负极；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极材料。
美国专利号US 6,855,273揭示了一种以碳包覆如LiFePO4等的碱过渡金属复合氧化物材料与制备方法，所述制备方法是在合成LiFePO4等碱过渡金属复合氧化物材料的过程中或合成后将碳材料热解沉积在材料表面形成非粉状的包覆层。虽然通过这种方法可以显著提升的LiFePO4等材料的导电性，但前述的制备方法昂贵、易产生杂质、质量容易退化，且对纳米级的粉体包覆效果有限。 
发明内容
一方面，本发明提供一种正极材料，包括经过碳包覆的正极材料，其中，被碳包覆后的正极材料的颗粒尺寸与未被碳包覆后的正极材料的颗粒尺寸之间比为１.01-1.5:1。优选的，比例为１.01-1.3:1；更优选的，比例为１.01-1.2:１；更优选的，1.01-1.1:1。本发明理论上算起来约增加1-2%的尺寸，但随著碳增多，一般可增加至10%的尺寸，而最多可增加至约30 - 50%，此时仍可维持全纳米尺寸。
在一些优选的方式中，被碳包覆前和被碳包覆后的颗粒形状不发生变化。在另一个优选的方式中，被碳包覆前和被碳包覆后的颗粒形状都为圆球形状。
另一方面，本发明提供一种以碳包覆正极材料（例如纳米级材料），例如磷酸亚铁锂材料的制备方法，使碳包覆过程中磷酸亚铁锂粉体不发生团聚现象，碳包覆后的体积仅小幅度增加，可进一步使级磷酸亚铁锂材料在碳包覆后仍能维持纳米级尺寸。此方法解决了传统方法中，特别针对纳米级磷酸亚铁锂的碳包覆后发生团聚、体积大幅增加、比表面积下降，甚至退化为微米级尺寸的技术问题。
在一些方式中，该方法包括：提供正极材料纳米颗粒；在正极材料颗粒上包覆碳层。优选的， 该方法还包括：混合和／或研磨步骤（1）、让碳源化合物，在摄氏小于或等于0℃的温度下与纳米颗粒混合。优选的，混合的温度为-３0℃-0℃。优选的，在混合前先进行研磨，让碳源化合物的颗粒在5微米(μm)以下，一般最小可至1微米(μm)；同时研磨的温度也在0℃度以下。在此温度下，碳源化合物保持干燥度与硬度，将碳源化合物研磨主要为使碳源化合物的颗粒变细，较易与磷酸亚铁锂粉体均匀混合。 
在一些具体的实施方式中，在低温混合步骤（1）后，对混合物进行加热。在一个具体的方式中，加热的步骤为：步骤（2）、在真空环境中加热至300℃以上，经2到8小时加热。通过该步骤可以除去碳化合物中的水份及其他液气体杂质，使碳化合物呈液态或凝胶态。优选的温度为300℃。此步骤为除去碳化合物中的杂质如水份，使磷酸亚铁锂在碳包覆烧结步骤中不与杂质反应，降低纯度。
在另一些具体的方式中，在步骤（2）后还包括碳包覆烧结步骤（3）：在压力的范围在400-500千帕(KPa)的惰性气体(如氮气或氩气)中，以摄氏500至1000度烧结4至24小时，使碳源化合物汽化，让其包覆在磷酸亚铁锂晶体的表面。以400-500千帕的压力为使汽化后的碳仍留在烧结设备中，附着在磷酸亚铁锂粉体表面而不逸失，冷却后变为固态的碳包覆在磷酸亚铁锂表面。
在另一些具体的方式中，烧结步骤后还包括研磨步骤：例如将冷却后的正极材料粉体球磨，使团聚、结块的颗粒分散。
在以上所有的实施方式中，碳源化合物，可选自液态或固态的二萘嵌苯及其衍生物、多羟基化合物、聚合物、纤维素、淀粉及其酯和醚以及中国发明专利申请，申请号200780040835.8中所叙述的所有的，但不局限于此，碳源化合物。优选的为通式为(CxH2yOy)n的碳源化合物，其中n≧1。因(CxH2yOy)n的非碳元素为氢元素(H)与氧元素(O)，且两者的比例与水分子相同，较容易去除碳以外的杂质。优选的为葡萄糖(C6H12O6)、蔗糖、麦芽糖(C12H22O11)或淀粉((C6H10O5)n)（n≧1）。在另一些方式中，让碳化合物的碳含量占整个正极材料的质量百分比为0.5%-5%。
正极材料纳米颗粒可以是LiFePO4或是以过渡金属取代铁(Fe)的LiMPO4，其中M代表为过度金属。 或者是经过改性的LiFePO4化合物，例如美国专利6514640中所描述的化合物。
有益效果
通过本发明的方法，获得的最终产物为碳包覆的正极纳米颗粒材料，如磷酸亚铁锂(LiFePO4)粉体，一是他们的粉体颗粒形貌不变，例如碳以均匀方式包覆在磷酸亚铁锂表面。例如，以圆球状的磷酸亚铁锂粉体进行本发明碳包覆制备方法，碳包覆后的粉体颗粒形貌仍为圆球状。另外，粉体颗粒尺寸小幅增加，粉体粒径约最多增加约50%，一般增加约30%以下：例如增加1-30%。优选的，以平均粒径D50为100-600纳米的磷酸亚铁锂(LiFePO4)进行碳包覆后，得到平均粒径D50为500-700纳米的碳包覆粉体颗粒。
附图说明
 图1为碳包覆的纳米级磷酸亚铁锂制备方法工艺流程图（磷酸亚铁锂）；
图 2 实施例三中碳包覆前的磷酸亚铁锂粉体SEM图 ；
图                                                
Figure 2011103951861100002DEST_PATH_IMAGE001
 实施例三中碳包覆后的磷酸亚铁锂粉体SEM图；图3为经过碳包覆的磷酸亚铁锂粉末颗粒形貌图，从图可以看出，经过碳包覆的纳米颗粒仍接近圆球状，且平均粒径约D50在200至300纳米(nm)。
具体实施方式
现举例说明本发明如何具体实施，这些举例说明只是采用有限的例子来说明本发明如何实施并不能对本发明的权利要求进行任何限制。
实施例一
1.1 原料：
1.1.1 平均粒径D50约500纳米(nm)的圆球状磷酸亚铁锂(LiFePO4)，157克
1.1.2 葡萄糖(C6H12O6)，3.8克
1.2 制备方法：
1.2.1 研磨、混和步骤：将碳源化合物，在摄氏-10度加入球磨机研磨，并加入磷酸亚铁锂粉体，在维持冷冻情况下，研磨、混合约45分钟。
1.2.2 加热、碳包覆烧结步骤：在真空环境中加热至300度并加热约8小时，除去葡萄糖中的水份及其他液气体杂质，加入氮气并控制压力范围在400-500千帕(KPa)的氮气中，以摄氏700度烧结10小时，使碳汽化，让其包覆在磷酸亚铁锂晶体的表面。
1.2.3 球磨步骤：将冷却后的碳包覆磷酸亚铁锂粉体球磨，使团聚、结块的颗粒分散。
1.3 产物：得到平均粒径D50约600至700纳米(nm)的圆球状碳包覆磷酸亚铁锂粉末。
实施例二
2.1 原料：
2.1.1 平均粒径D50约300至400纳米(nm)的圆球状磷酸亚铁锂(LiFePO4)，157克
2.1.2 葡萄糖(C6H12O6)，7.6克
2.2 制备方法：
2.2.1 研磨、混和步骤：将碳源化合物，在摄氏-5度加入球磨机研磨，并加入磷酸亚铁锂粉体，在维持冷冻情况下，研磨、混合约30分钟。
2.2.2 加热、碳包覆烧结步骤：在真空环境中加热至300度并加热约5小时，除去葡萄糖中的水份及其他液气体杂质，加入氮气并控制压力范围在400-500千帕(KPa)的氮气中，以摄氏800度烧结15小时，使碳汽化，让其包覆在磷酸亚铁锂晶体的表面。
2.2.3 球磨步骤：将冷却后的碳包覆磷酸亚铁锂粉体球磨，使团聚、结块的颗粒分散。
2.3 产物：得到平均粒径D50约400至500纳米(nm)的圆球状碳包覆磷酸亚铁锂粉末。
实施例三 (如图2、图3)
3.1 原料：
3.1.1 平均粒径D50约150至200纳米(nm)的圆球状磷酸亚铁锂(LiFePO4)，157克
3.1.2 葡萄糖(C6H12O6)，11.5克
3.2 制备方法：
3.2.1 研磨、混和步骤：将碳源化合物，在摄氏0度加入球磨机研磨，并加入磷酸亚铁锂粉体，在维持冷冻情况下，研磨、混合约60分钟。
3.2.2 加热、碳包覆烧结步骤：在真空环境中加热至300度并加热约3小时，除去葡萄糖中的水份及其他液气体杂质，加入氮气并在控制压力范围在400-500千帕(KPa)的氮气中，以摄氏900度烧结20小时，使碳汽化，让其包覆在磷酸亚铁锂晶体的表面。
3.2.3 球磨步骤：将冷却后的碳包覆磷酸亚铁锂粉体球磨，使团聚、结块的颗粒分散。
3.3 产物：得到平均粒径D50约200至300纳米(nm)的圆球状碳包覆磷酸亚铁锂粉末。

Claims (15)

1.一种制备正极材料的方法，该方法包括： 提供正极材料的颗粒材料； 在正极材料颗粒上包覆碳层，其中，所述的碳层来源于碳源化合物； 其中，该方法还包括步骤（1）：让碳源化合物，在小于或等于0℃的温度下与颗粒材料混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中混合的温度为-30℃-0℃，颗粒为納米颗粒。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在混合的同时或混合之前还对碳源化合物进行研磨。
4.根据权利要求3所述的方法，该方法在步骤（1）后还包括步骤（2）：在真空环境中以60℃-300℃，对纳米颗粒和碳源化合物进行2-8小时的加热。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法在步骤（2）后还包括步骤（3）：在压力的范围在400-500千帕的惰性气体中，以摄氏500至1000度对纳米颗粒和碳源化合物烧结4-24小时。
6.根据权利要求5所述的方法，该方法在步骤（3）后还包括步骤（4）：烧结步骤后还包括研磨步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，让碳化合物的碳含量占整个正极材料的质量百分比为0.5%-5%。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，正极材料纳米颗粒为LiFePO4。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，碳源化合物为通式（CxH2yOy）n的碳源化合物，其中n≧1。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，n=1；y=6,x=6。
11.一种经过碳包覆的正极材料，其中，被碳包覆后的正极材料的纳米颗粒尺寸与未被碳包覆后的正极材料的纳米颗粒尺寸之间比值为１.01-1.5:1。
12.根据权利要求11所述的材料，其中，被碳包覆前和被碳包覆后的颗粒形状不发生变化。
13.根据权利要求11所述的材料，其中，纳米正极材料为LiFePO4，比值为1.01-1.30:1。
14.根据权利要求12所述的材料，其中，被碳包覆后的正极材料的纳米颗粒尺寸为D50为500-700纳米；未被碳包覆后的正极材料的纳米颗粒尺寸D50为100-600纳米。
15.根据权利要求11所述的材料，其中，所述的碳来源于葡萄糖。
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