CN103779563A - 制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，按照如下步骤完成：（1）、将锂源、铁源、磷源、碳源和铜源进行球磨混合，并加入球磨溶剂充分球磨，所述锂源为碳酸锂和水溶性锂盐或氢氧化锂的混合，所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的至少一种；（2）、球磨完后进行喷雾干燥处理，得到前驱体，再将制得的前驱体球磨2-8h；（3）、球磨完后，将前驱体在惰性气体保护下，以1-30℃/min的升温速度加热到400℃～800℃，并恒温5～15小时，再冷却至室温，经过破碎后得到产品。该方法反应更充分、均匀。该方法制备的磷酸铁锂导电性能好、电化学性能好。

Description

制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法
技术领域
本发明的一种用复合锂源制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，属于锂电池正极材料制备方法。
背景技术
自1997年A.K.Padhi首次报道磷酸铁锂具有脱嵌锂功能后，此材料就被认为是最有潜力的锂离子电池正极材料，它既可以广泛用于大功率电池，也可应用于可再生能源的储能电池。国内外使用的锂电池正极材料主要是钴酸锂（LiCoO2），它是决定锂电池性能的主要因素，约占锂电池材料成本的30%，钴酸锂具有比较优秀的电化学性能，它具有放电量高（135-140mAh/g）、放电平台高（80%，3.6V）等优点，但它同时具有很大的缺点：1、生产成本高、价格高，生产钴酸锂的主要材料是价格昂贵的钴资源，它的价格一般在25-40万元/吨之间浮动，钴酸锂中钴含量占61%，因此决定了钴酸锂的价格必然是昂贵的。2、钴酸锂的高温性能不好，不能大电流放电，无法作为动力电池使用。LiFePO4与目前常见的正极材料LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4和钒的氧化物等相比，铁的氧化物不仅价格较低、储量丰富、无毒，对环境污染小，因此日益受到研究者的重视。锂电池正极材料磷酸铁锂已成为该领域的研究热点。
动力电池的方向是锂离子动力电池，磷酸铁锂电池是目前安全性最高的电池。安全性能是作为动力电池一项最重要的性能，在锂电池发生短路时，不会因为短路而产生***。它的氧化温度高于400度，可以放在火里烧。所以，正极材料是钴酸锂和锰酸锂的电池为提高安全不得不采取各种手段，而正极材料磷酸铁锂是天生拥有安全性。所以磷酸铁锂也就自然成为动力电池正极材料的首选材料，随着锂电池逐步向电动自行车、电动汽车等领域拓展，锂电池正极材料磷酸铁锂的需求量将大幅增加。
目前，磷酸铁锂的制备方法申请的专利很多，如中国专利申请201310414217.2以及CN103178266A等，但是这些制备方法存在前驱体反应不均匀、反应不充分等缺陷，制备出来的磷酸铁锂存在导电性能较差等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种反应更充分、均匀的制备铜碳包覆的磷酸铁粒的方法，该方法制备的磷酸铁锂导电性能好、电化学性能好。
本发明的技术方案如下：一种制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于：按照如下步骤完成：
（1）、将锂源、铁源、磷源、碳源和铜源进行球磨混合，并加入球磨溶剂充分球磨，所述锂源为碳酸锂和水溶性锂盐或氢氧化锂的混合，所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的至少一种；
（2）、球磨完后进行喷雾干燥处理，得到前驱体，再将制得的前驱体球磨2-8h；
（3）、球磨完后，将前驱体在惰性气体保护下，以1-30℃/min的升温速度加热到400℃～800℃，并恒温5～15小时，再冷却至室温，经过破碎后得到产品。
采用上述技术方案，在液相混合时可溶性的锂盐以及氢氧化锂可以与铁源等粉体混合更为均匀。尤其是当选用氢氧化锂时，氢氧化锂与磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵反应属于酸碱中和反应可以放出大量的热，促进反应的进一步发生。加入碳酸锂作为锂源，碳酸锂与磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵反应时可以产生大量的气体，在反应釜液相中内部可形成瞬间***（气泡炸裂）可促进生成物与原料中的铁源混合更为均匀。通过可溶性锂盐或氢氧化锂与碳酸锂混合的碱性反应环境中加入碳源与铜离子进行反应形成铜碳复合磷酸铁锂前驱体，然后经过还原气氛烧结碳化将铜离子还原为铜膜共同包覆在磷酸铁锂表面提高材料导电性。通过这种复合促进前期反应所制备均一前驱体，最终烧结合成的磷酸铁锂材料具有优异的电化学性能，特别是高倍率性能。
作为优选：步骤（1）中所述水溶性锂盐为醋酸锂。
在上述技术方案中：所述锂源、铁源、磷源、铜源的摩尔比为1:1:1：0.005-0.015，所述碳源的质量为所有锂源、铁源、磷源总质量的2-10%。
作为优选：步骤（1）中，所述球磨溶剂为水，球磨的时间为5-10小时。
在上述技术方案中：所述铁源为三氧化二铁、氢氧化铁、草酸亚铁、氧化铁中的至少一种，所述碳源为蔗糖、葡萄糖、乳糖、柠檬酸、淀粉中的至少一种，所述铜源为醋酸铜、硝酸铜、氢氧化铜、碳酸铜、铜粉中的至少一种。
有益效果：本发明制备磷酸铁锂的方法具有以下几个显著的特点：（1）在液相混合时可溶性的氢氧化锂可以与铁源等粉体混合更为均匀。尤其是当选用氢氧化锂时，氢氧化锂与磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵反应属于酸碱中和反应可以放出大量的热，促进反应的进一步发生。（2）加入碳酸锂作为锂源，碳酸锂与磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵反应时可以产生大量的气体，在反应釜液相中内部可形成瞬间***（气泡炸裂）可促进生成物与原料中的铁源混合更为均匀。（3）通过氢氧化锂与碳酸锂混合的碱性反应环境中加入碳源与铜离子进行反应形成铜碳复合磷酸铁锂前驱体，然后经过还原气氛烧结碳化将铜离子还原为铜膜共同包覆在磷酸铁锂表面提高材料导电性。（4）通过这种复合促进前期反应所制备均一前驱体，最终烧结合成的磷酸铁锂材料具有优异的电化学性能，特别是高倍率性能。
附图说明
图1是用本发明的实施例1-5制备的材料制成的锂电池在1C倍率下的放电曲线典型图；
图2是用本发明实施例1-5制备的材料制成的锂离子电池在1C倍率下的循环曲线典型图。
图3是实例2所合成材料破碎前SEM图。
图4是实例2所合成材料破碎后SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
取0.2mol氢氧化锂LiOH·H2O、0.4mol碳酸锂Li2CO3、0.5mol三氧化二铁Fe2O3、1mol磷酸二氢铵NH4H2PO4和4.75g葡萄糖和0.01mol醋酸铜。球磨混合后加入水为球磨溶剂在球磨机球磨8h，水的质量为所有原材料质量的2倍，通过喷雾干燥得前驱体粉末，再将前驱体球磨2h，将前驱体粉末在以氮气为保护放入管式炉中，以15℃/min升到700℃，恒温8小时后，再自然冷却到室温取出，得铜碳包覆磷酸铁锂材料成品。
将本实施例制得的正极材料铜碳包覆磷酸铁锂、乙炔黑、PVDF按质量比91：5：4混合均匀，然后将其涂在0.02mm的铝箔上，后经充分干燥后得到正极极片，再在充满氩气的手套箱装得实验电池；最后在LAND电池测试仪上进行充放电循环性能测试：以1C倍率进行充放电测试，充放电电压为3.65～2V，室温测得首次可逆比容量为128mAh/g。
实施例2：
取0.4mol氢氧化锂LiOH·H2O、0.3mol碳酸锂Li2CO3、0.5mol三氧化二铁Fe2O3、1mol磷酸氢二铵(NH4)2HPO4和18g葡萄糖及7.94g柠檬酸和0.01mol碳酸铜。球磨混合后加入水为球磨介质球磨机球磨5h，水的质量为所有原材料质量的2倍，通过喷雾干燥得前驱体粉末，再将前驱体球磨8h，将前驱体粉末在以氮气为保护放入管式炉中，以15℃/min升到650℃，恒温15小时后，再自然冷却到室温取出，得铜碳包覆磷酸铁锂材料成品。
将本实施例制得的铜碳包覆磷酸铁锂、乙炔黑、PVDF按质量比91：5：4混合均匀，然后将其涂在0.02mm的铝箔上，后经充分干燥后得到正极极片，再在充满氩气的手套箱装得实验电池；最后在LAND电池测试仪上进行充放电循环性能测试：以0.1C倍率进行充放电测试，充放电电压为3.65～2V，室温测得首次可逆比容量为138mAh/g。
实施例3：
取0.5mol氢氧化锂LiOH·H2O、0.25mol碳酸锂Li2CO3、1mol氢氧化铁Fe(OH)3、1mol磷酸二氢铵NH4H2PO4、和13.6g葡萄糖和0.005mol铜粉。球磨混合后加入水为球磨介质球磨机球磨10h，水的质量为所有原材料质量的3倍，通过喷雾干燥得前驱体粉末，再将前驱体球磨4h，将前驱体粉末在以氮气为保护放入管式炉中，以30℃/min升到800℃，恒温5小时后，再自然冷却到室温取出，得铜碳包覆磷酸铁锂材料成品。
将本实施例制得的铜碳包覆的磷酸铁锂、乙炔黑、PVDF按质量比91：5：4混合均匀，然后将其涂在0.02mm的铝箔上，后经充分干燥后得到正极极片，再在充满氩气的手套箱装得实验电池；最后在LAND电池测试仪上进行充放电循环性能测试：以0.1C倍率进行充放电测试，充放电电压为3.65～2V，室温测得首次可逆比容量为120mAh/g。
实施例4：
取0.8mol氢氧化锂LiOH·H2O、0.1mol碳酸锂Li2CO3、1mol草酸亚铁FeC2O4·2H2O、1mol磷酸H3PO4和22.5g葡萄糖和0.015mol氢氧化铜。球磨混合后加入水为球磨介质球磨机球磨8h，水的质量为所有原材料质量的2倍，通过喷雾干燥得前驱体粉末，再将前驱体球磨5h，将前驱体粉末在以氮气为保护放入管式炉中，以1℃/min升到400℃，恒温15小时后，再自然冷却到室温取出，得铜碳包覆磷酸铁锂材料成品。
将正极材料LiFePO4/C粉体、乙炔黑、PVDF按质量比91：5：4混合均匀，然后将其涂在0.02mm的铝箔上，后经充分干燥后得到正极极片，再在充满氩气的手套箱装得实验电池；最后在LAND电池测试仪上进行充放电循环性能测试：以0.1C倍率进行充放电测试，充放电电压为3.65～2V，室温测得首次可逆比容量为132mAh/g。
实施例5：
取0.6mol醋酸锂、0.2mol碳酸锂Li2CO3、1mol草酸亚铁FeC2O4·2H2O、1mol磷酸氢二铵(NH4)2HPO4和0.1mol葡萄糖及14g柠檬酸0.01mol硝酸铜。球磨混合后加入水为球磨介质球磨机球磨8h，水的质量为所有原材料质量的1.5倍，通过喷雾干燥得前驱体粉末，再将前驱体球磨2h，将前驱体粉末在以氮气为保护放入管式炉中，以15℃/min升到700℃，恒温6小时后，再自然冷却到室温取出，得铜碳包覆磷酸铁锂材料成品。。
将本实施例制备的铜碳包覆的磷酸铁锂、乙炔黑、PVDF按质量比91：5：4混合均匀，然后将其涂在0.02mm的铝箔上，后经充分干燥后得到正极极片，再在充满氩气的手套箱装得实验电池；最后在LAND电池测试仪上进行充放电循环性能测试：以0.1C倍率进行充放电测试，充放电电压为3.65～2V，室温测得首次可逆比容量为118mAh/g。
本发明不局限于具体实施例，所述碳源还可以蔗糖、葡萄糖、乳糖、柠檬酸、淀粉中的一种或混合。所述铜源还可以醋酸铜、硝酸铜、氢氧化铜、碳酸铜、铜粉等一种或混合。所述铁源还可以选择三氧化二铁、草酸亚铁、氢氧化铁、氧化铁中的一种或混合。宗旨只要是在本发明的基础上的任何等同的变形均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于：按照如下步骤完成：
（1）、将锂源、铁源、磷源、碳源和铜源进行球磨混合，并加入球磨溶剂充分球磨，所述锂源为碳酸锂和水溶性锂盐或氢氧化锂的混合，所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的至少一种；
（2）、球磨完后进行喷雾干燥处理，得到前驱体，再将制得的前驱体球磨2-8h；
（3）、球磨完后，将前驱体在惰性气体保护下，以1-30℃/min的升温速度加热到400℃～800℃，并恒温5～15小时，再冷却至室温，经过破碎后得到产品。
2.根据权利要求1所述制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于：步骤（1）中所述水溶性锂盐为醋酸锂。
3.根据权利要求1所述制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于：所述锂源、铁源、磷源、铜源的摩尔比为1:1:1：0.005-0.015，所述碳源的质量为所有锂源、铁源、磷源总质量的2-10%。
4.根据权利要求1-3任一项所述制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述球磨溶剂为水，球磨的时间为5-10小时。
5.根据权利要求1-3任一项所述制备铜碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于：所述铁源为三氧化二铁、氢氧化铁、草酸亚铁、氧化铁中的至少一种，所述碳源为蔗糖、葡萄糖、乳糖、柠檬酸、淀粉中的至少一种，所述铜源为醋酸铜、硝酸铜、氢氧化铜、碳酸铜、铜粉中的至少一种。
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