CN103896239A - 一种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法该方法,通过湿法混合法或干混方法制备金属聚阴离子或混合金属聚阴离子化合物,然后经过加热除去溶剂,形成干燥的混合物,将混合物加热到高于聚合物熔点以上的温度,煅烧并研磨烧结产物,获得锂离子电池正极材料磷酸钒锂。这种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法用聚合物作为原料,该聚合物可以和溶剂形成溶液,在湿混或干混的合成方法中起相分离抑制剂的作用,在磷酸钒锂间形成导电网络,其生产的材料具有高的电导率、卓越的循环寿命和较高的可逆容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电活性材料磷酸钒锂的大规模生产合成,尤其涉及一种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法。
背景技术
随着便携式电子设备,动力和储能领域的迅猛发展,对高容量、高耐久性、长寿命电池的需求也不断增加。因此碱金属电池,特别是锂离子电池已经成为理想的能量来源。
目前,由聚阴离子(SiO4)n-、 (PO4)n-、(AsO4)n-等组成的三维结构化合物被认为是如LiMxOy的氧化物电极材料的理想替代物。一系列这种材料已经在美国专利6,528,003 B1 中(Barker et al.)得到了披露,该方法是将V2O5、 Li2CO3、(NH4)2HPO4和碳一起球磨;再将研磨好的粉末进行造粒;在300℃加热粒子以除去CO2和NH3;将新的粒子在850℃加热并保温8小时制成电化学活性产物。这些化合物具有通式LiaMIbMIIc(PO4)d, MI 和MII可以相同也可以不同。MI 可以是Fe、Co、Ni、 Mn、Cu、V、Sn、Ti、Cr 组成的组中的一种或多种金属。MII是Mg、Ca、Zn、Sr、Pb、Cd、Sn、Ba、Be组成的组中的一种或多种金属。这种聚阴离子材料更具体的例子包括橄榄石结构化合物,如LiMPO4,这里 M是Mn、Fe、Co、 Cr 等。其它聚阴离子材料的例子还有 NASICON结构化合物,如Li3M2(PO4)3。目前,一系列具有这种晶体点阵结构的聚阴离子化合物,如过渡金属和混合金属磷酸盐已经被开发出来。这些过渡金属和混合金属磷酸盐是嵌入式化合物,与锂过渡金属复合氧化物材料相比,磷酸盐类正极材料普遍具有晶体结构稳定,热稳定性好,安全性能优异的突出优点。
在这些磷酸盐正极材料中,具有化学通式Li3V2(PO4)3的磷酸钒锂是一种很有前途的锂离子电池材料。它具有结构稳定,高容量( 197 mAh /g) ,高电压( 4.3 V) 的特点。尽管这种材料可以作为电化学活性材料用于制造电极,但是目前对这种材料的研究,在大规模工业化生产中并不一定是最经济有效的。实验室规模的合成方法,往往难以在规模化的生产中实施。
发明内容:
本发明所要解决的技术问题是,提供一种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,该方法生产的材料具有高的电导率、卓越的循环寿命和较高的可逆容量。
为了解决上述技术问题,本发明是通过以下技术方案实现的:一种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,包括以下步骤:
A、首先通过湿法混合方法将聚合物材料加入到溶剂中,并不断搅拌直到聚合物溶解,时间为10min至5h,然后加入聚阴离子化合物材料并不断搅拌形成混合物,接着对混合物继续进行搅拌,时间为2min至5h,随后将金属离子材料加入到混合物中,并搅拌2min至5h得到混合物浆料;或者通过干混方法将聚合物材料、溶剂、聚阴离子源或碱金属聚阴离子源碳源、及至少一种金属离子源混合成混合浆料,混合时间为4min~16h,最好是30min~2h;将上述混合物浆料在大于溶剂沸点的条件下进行加热,使溶剂完全挥发,得到干燥的混合物;
B、对干燥的混合物进行研磨或碾磨,时间为4~24h,以进一步获得均匀混合的细小颗粒;
C、 对研磨或碾磨后的混合物在惰性气氛下进行加热,所述混合物加热可分为两步,第一步加热温度在300~400℃,加热周期为1~4h,升温速率为2℃/min;第二步加热温度在800~1000℃,加热时间为2~10h,升温速率为2~5℃/min,生成锂离子电池阴极材料磷酸钒锂,其化学通式可表述为金属聚阴离子化合物Li3V2(PO4)3或混合金属聚阴离子化合物Li3V2-xMx(PO4)3;
D、将上述生产的金属聚阴离子化合物或混合金属聚阴离子化合物产品在一定速率下冷却至室温,得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到所需的粉末材料,所述冷却速率在2~3℃/min。
优选的,所述步骤A中的溶剂为水、去离子水、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇、PC、BC、DMF、DME、THF、BL、NMP、DMSO中的一种或其混合物,且该溶剂的沸点位于50~300℃ 之间。
优选的,所述步骤A中的聚合物材料是由碳、氧、氢和其他足够少的元素组成的有机材料,该有机材料优选PEO、PEG 和 EHEC,且所述聚合物材料的添加量占总反应物重量的3~12%。
优选的,所述步骤A中的混合物中添加有碳源,所述碳源为无机碳或有机前驱体材料或无机碳和有机前驱体材料的混合物,所述无机碳为碳黑、石墨、乙炔黑和活性炭,所述有机前驱体材料包括但不限于焦炭、有机碳氢化合物、酒精、酯类、酮类、羧基酸、磺酸盐、醚类、糖类、碳水化合物和聚合物,其加入量占总反应物重量的1~12%。
优选的,所述步骤A中的混合物中含有至少一种碱金属Li的化合物,该含Li的化合物从碳酸锂、氢氧化锂、磷酸二氢锂及其混合物中选取。
优选的,所述步骤A中的聚阴离子化合物是含 PO4 3-的化合物,该含PO4 3-的化合物从磷酸氢二氨、磷酸二氢氨、磷酸二氢锂及其混合物中选取。
优选的,所述步骤A中金属离子是来自于V的化合物,该含一种金属离子V的原料是V2O3、V2O5、NH4VO3中的一种或其混合物。
优选的,所述步骤A中添加有第二种金属离子材料,其为Fe、Co、Cr、Mn、Mg、Ti、Al、Ca中的一种或其金属化合物。
优选的,所述步骤A中的加热方式为连续的喷雾干燥和带式干燥或间歇式的耙式干燥和双锥混合干燥。
优选的,所述步骤C中的惰性气氛为氮气或氩气。
与现有技术相比,本发明的有益之处在于:这种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法用聚合物作为原料,该聚合物可以和溶剂形成溶液,在湿混或干混的合成方法中起相分离抑制剂的作用,在磷酸钒锂间形成导电网络,其生产的材料具有高的电导率、卓越的循环寿命和较高的可逆容量。
附图说明:
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1所制备磷酸钒锂的粒度分布曲线;
图2为本发明实施例1所制备磷酸钒锂的XRD曲线;
图3为本发明实施例1所制备磷酸钒锂的不同倍率充放电曲线;
图4为本发明实施例1所制备磷酸钒锂在2.5V~4.6V的循环性能曲线;
图5为本发明实施例1所制备磷酸钒锂的SEM图。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例1:
同时选用聚合物材料和导电碳黑Super P为碳源,以湿法混合制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料。
聚氧化乙烯PEO(1.8Kg,分子量20000)加入到去离子水中(100Kg),搅拌,得到溶液A。LiH2PO4 (100Kg)加入到溶液A中,得到浆料B。V2O5(57.74Kg)加入到浆料B中混合搅拌,得到浆料 C。再将导电碳黑Super-P(4.8Kg)加入到浆料C中,得到浆料D。浆料D在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物碾磨12小时后,球磨12小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例2:
湿法混合制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料。
聚乙二醇(8Kg,分子量1000),聚氧化乙烯PEO(0.4Kg)与去离子水(72Kg)混合搅拌,得到溶液A。LiH2PO4 (80Kg)加入到溶液A中混合搅拌,得到浆料B。V2O5(46.19Kg)加入到浆料B中混合搅拌,得到浆料 C。浆料C在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物碾磨12小时后,球磨12小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例3:
干混法制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料。
LiH2PO4 (100Kg)与V2O5(57.33Kg)混合,随后与聚氧化乙烯PEO(20Kg,分子量20000)混合。混合物以V型搅拌机和Norta混合机混合搅拌,得到均匀混合的细微颗粒。混合物在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物球磨4小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例4:
同时选用聚合物材料和导电碳黑Super P为碳源,以干混法制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料
LiH2PO4 (100Kg)与V2O5 (57.33Kg)混合,随后与聚氧化乙烯PEO(20Kg,分子量20000)混合,再与导电碳黑Super P(1.44Kg)混合。混合物以V型搅拌机和Norta混合机混合搅拌,得到均匀混合的细微颗粒。混合物在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物球磨4小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例5:
选用聚合物材料乙基羟乙基纤维素EHEC,以湿法混合制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料
乙基羟乙基纤维素EHEC (8Kg,分子量1000)与去离子水(72Kg)混合搅拌,得到溶液A。 LiH2PO4 (80Kg)加入到溶液A中混合搅拌,得到浆料B。V2O5 (46.89Kg)加入到浆料B中混合搅拌,得到浆料 C。浆料C在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物碾磨12小时后,球磨12小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例6:
选用聚合物材料聚乙二醇PEG,以湿法混合制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料
聚乙二醇PEG (10Kg)与去离子水(90Kg)混合搅拌,得到溶液A。LiH2PO4 (100Kg)加入到溶液A中混合搅拌,得到浆料B。V2O5(57.74Kg)加入到浆料B中混合搅拌,得到浆料 C。浆料C在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物碾磨12小时后,球磨12小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例7:
同时选用聚合物材料和导电碳黑Super P为碳源,以湿法混合制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料
聚氧化乙烯PEO(1.8Kg,分子量20000)加入到去离子水中(100Kg),搅拌,得到溶液A。LiH2PO4 (100Kg)加入到溶液A中,得到浆料B。V2O3(47.58Kg)加入到浆料B中混合搅拌,得到浆料 C。再将导电碳黑Super-P(4.8Kg)加入到浆料C中,得到浆料D。浆料D在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物碾磨12小时后,球磨12小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例8:
同时选用聚合物材料和导电碳黑Super P为碳源,以湿法混合制备化学式为Li3V2(PO4)3的电极活性材料
聚氧化乙烯PEO(1.8Kg,分子量20000)加入到去离子水中(100Kg),搅拌,得到溶液A。LiH2PO4 (100Kg)加入到溶液A中,得到浆料B。NH4VO3(74.27Kg)加入到浆料B中混合搅拌,得到浆料 C。再将导电碳黑Super-P(4.8Kg)加入到浆料C中,得到浆料D。浆料D在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物碾磨12小时后,球磨12小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
实施例9:
同时选用聚合物材料和导电碳黑Super P为碳源,以湿法混合制备化学式为Li3V1.98Cr0.02(PO4)3的电极活性材料
聚氧化乙烯PEO(1.8Kg,分子量20000)加入到去离子水中(100Kg),搅拌,得到溶液A。LiH2PO4 (100Kg)加入到溶液A中,得到浆料B。V2O5(57.16Kg)和Cr(CH3COO)3·6H2O(2.10Kg)加入到浆料B中混合搅拌,得到浆料 C。再将导电碳黑Super-P(4.8Kg)加入到浆料C中,得到浆料D。浆料D在110℃下加热12小时,获得干燥混合物。
干燥混合物碾磨12小时后,球磨12小时,随后在氮气氛(或氩气氛)保护下,以每分钟3℃的速度升温到400℃,热处理2小时;再以每分钟5℃的速度升温到900℃,热处理8小时;最后冷却到室温。得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到颗粒尺寸小于40微米的粉末材料。
如图1至图5所示,这种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法用聚合物作为原料,该聚合物可以和溶剂形成溶液,在湿混或干混的合成方法中起相分离抑制剂的作用,在磷酸钒锂间形成导电网络,其生产的材料具有高的电导率、卓越的循环寿命和较高的可逆容量。
需要强调的是:以上仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,包括以下步骤:
A、首先通过湿法混合方法将聚合物材料加入到溶剂中,并不断搅拌直到聚合物溶解,时间为10min至5h,然后加入聚阴离子化合物材料并不断搅拌形成混合物,接着对混合物继续进行搅拌,时间为2min至5h,随后将金属离子材料加入到混合物中,并搅拌2min至5h得到混合物浆料;或者通过干混方法将聚合物材料、溶剂、聚阴离子源或碱金属聚阴离子源碳源、及至少一种金属离子源混合成混合浆料,混合时间为4min~16h,最好是30min~2h;将上述混合物浆料在大于溶剂沸点的条件下进行加热,使溶剂完全挥发,得到干燥的混合物;
B、对干燥的混合物进行研磨或碾磨,时间为4~24h,以进一步获得均匀混合的细小颗粒;
C、对研磨或碾磨后的混合物在惰性气氛下进行加热,所述混合物加热可分为两步,第一步加热温度在300~400℃,加热周期为1~4h,升温速率为2℃/min;第二步加热温度在800~1000℃,加热时间为2~10h,升温速率为2~5℃/min,生成锂离子电池阴极材料磷酸钒锂,其化学通式可表述为金属聚阴离子化合物Li3V2(PO4)3或混合金属聚阴离子化合物Li3V2-xMx(PO4)3;
D、将上述生产的金属聚阴离子化合物或混合金属聚阴离子化合物产品在一定速率下冷却至室温,得到的产物以锤式粉碎机破碎,并筛分,得到所需的粉末材料,所述冷却速率在2~3℃/min。
2.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中的溶剂为水、去离子水、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇、PC、BC、DMF、DME、THF、BL、NMP、DMSO中的一种或其混合物,且该溶剂的沸点位于50~300℃ 之间。
3.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中的聚合物材料是由碳、氧、氢和其他足够少的元素组成的有机材料,该有机材料优选PEO、PEG 和 EHEC,且所述聚合物材料的添加量占总反应物重量的3~12%。
4.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中的混合物中添加有碳源,所述碳源为无机碳或有机前驱体材料或无机碳和有机前驱体材料的混合物,所述无机碳为碳黑、石墨、乙炔黑和活性炭,所述有机前驱体材料包括但不限于焦炭、有机碳氢化合物、酒精、酯类、酮类、羧基酸、磺酸盐、醚类、糖类、碳水化合物和聚合物,其加入量占总反应物重量的1~12%。
5.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中的混合物中含有至少一种碱金属Li的化合物,该含Li的化合物从碳酸锂、氢氧化锂、磷酸二氢锂及其混合物中选取。
6.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中的聚阴离子化合物是含 PO4 3-的化合物,该含PO4 3-的化合物从磷酸氢二氨、磷酸二氢氨、磷酸二氢锂及其混合物中选取。
7.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中金属离子是来自于V的化合物,该含一种金属离子V的原料是V2O3、V2O5、NH4VO3中的一种或其混合物。
8.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中添加有第二种金属离子材料,其为Fe、Co、Cr、Mn、Mg、Ti、Al、Ca中的一种或其金属化合物。
9.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤A中的加热方式为连续的喷雾干燥和带式干燥或间歇式的耙式干燥和双锥混合干燥。
10.根据权利要求1所述的使用聚合物材料生产磷酸钒锂的碳热还原方法,其特征是,所述步骤C中的惰性气氛为氮气或氩气。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140702 |