CN109728286B - 一种富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法存在的损失活性铁含量,活性磷酸铁锂减少,降低电化学性能等问题,本发明提出一种富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法。该方法通过原位自组装金属氢氧化物包覆磷酸铁锂纳米颗粒,再将金属氢氧化物包覆磷酸铁锂纳米颗粒进行低温磷化制备富金属磷化物原位包覆的磷酸铁锂。本发明以导电性更高的M2P和M3P型磷化物,通过磷酸铁锂颗粒表面吸附金属离子,较短时间下低温磷化,极大的降低了其他金属离子掺杂和磷化铁生成的可能。其工艺简单,金属磷化物作为壳均匀包覆在磷酸铁锂纳米颗粒,降低颗粒界面电阻,提高导电性,阻碍电解液与活性颗粒的副反应发生。
Description
技术领域
本发明属于新能源正极材料领域,具体涉及一种富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法。
背景技术
能源革命促进社会高速发展,储能承担了重要的部分,正极材料无论从成本还是性能,都占据整个电池的核心。磷酸铁锂因其优良的综合性能,如安全性高、循环性能好和价格便宜,得到快速发展,但材料本身的缺陷,如电子导电率和锂离子扩散系数低,需要被克服,从而更大发挥材料的性能,满足市场的需要。
目前,对于改善磷酸铁锂的性能,主要从以下三大方面进行:一是颗粒纳米化,减少锂离子脱嵌的运动路径;二是其他元素掺杂,提高导电性,改善电化学性能;三是通过碳或者其他物质(金属、金属氧化物)包覆磷酸铁锂,提高颗粒间磷酸铁锂的导电性,减少与电解液的大面积接触导致的副反应,保证了磷酸铁锂的界面稳定性,有助于提高电池性能的安全和稳定长循环。
金属磷化物常被用作超级电容器,锂离子电池负极材料或者析氢等领域,其相态种类较多,物理化学性质也不相同,而富金属磷化物(M2P和M3P型)具有一些金属的性质,拥有远高于氧化物的电子导电性,电阻率8.6×10-4Ω·cm,所以对磷酸铁锂进行富金属磷化物的包覆,可有效提高磷酸铁锂的电化学性能。专利CN1773754A(磷酸铁锂及其复合金属磷化物的电极材料和制备方法)通过共混所有原料,高压氮气喷雾低温煅烧制备磷酸铁锂时,原位形成金属磷化物,因磷化物量太少且非晶体,XRD仅指示磷酸铁锂的晶相,但此方法会损失活性铁含量,虽会生成所需金属磷化物,但有FexP等杂质生成,同时其他金属离子掺杂进入铁位,导致活性磷酸铁锂减少,而且可能生成的Fe2P易溶解于电解液,降低电化学性能。
可见,现有富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法存在着损失活性铁含量,活性磷酸铁锂减少,降低电化学性能等问题。
发明内容
为了解决现有富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法存在的损失活性铁含量,活性磷酸铁锂减少,降低电化学性能等问题,本发明提出一种富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法。
本发明一种富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,通过原位自组装金属氢氧化物包覆磷酸铁锂纳米颗粒,再将金属氢氧化物包覆磷酸铁锂纳米颗粒进行低温磷化制备富金属磷化物原位包覆的磷酸铁锂。
进一步的,所述制备方法包括以下步骤:
S1、磷酸铁锂的制备:将锂源,铁源,磷源I和碳源,按照Li:Fe:P摩尔比为(1.0-1.2):1:(0.8-1.0)称取,碳源加入量为反应得到磷酸铁锂总质量的1-10%,将称取好的锂源,铁源,磷源和碳源置入乙醇分散剂中,球磨机中分散3-5h,转速为200-400r/min,得到流变相混合物;将所述流变相混合物放入真空烘箱中,在温度40-80℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体;将所述固体前驱体进行1-2h干法研磨,转速1000-3000r/min,然后置于管式炉,通入高纯氮气保护,以2-5℃/min的升温速率,升温至600-750℃,保温4-12h,即得到磷酸铁锂固体粉末;
S2、氢氧化物包覆磷酸铁锂:将步骤S1所制备的磷酸铁锂固体粉末分散于乙醇中,冰浴超声30-120分钟,滴加一至两滴0.1M的稀硫酸,使磷酸铁锂表面形成酸性活性位点,并在匀速搅拌下滴加0.1M过渡金属盐,氨水调节pH值至8-11,形成MOH沉淀并继续搅拌6-8h,过滤后用水洗涤至中性,置于真空干燥箱温度为40-80℃下烘干,得到过渡金属氢氧化物包覆磷酸铁锂LiFePO4/MOH;
S3、富金属磷化物包覆磷酸铁锂:将步骤S2所制备得到的过渡金属氢氧化物包覆磷酸铁锂LiFePO4/MOH粉体和磷源II分别置于两个石英舟,相距5-30cm,通入氮气,磷源II置于惰性气体流通上流处,以速率为1-3℃/min升温至300-450℃,磷化1-4h,即得到富金属磷化物包覆的磷酸铁锂LiFePO4/MxPy。
进一步的,所述步骤S1中的锂源为氢氧化锂,碳酸锂,草酸锂,乙酸锂,硝酸锂,磷酸二氢锂,柠檬酸锂中的任意一种或两种及两种以上的混合物。
进一步的,所述步骤S1中的铁源为磷酸铁,氧化铁,草酸亚铁,铁粉,四氧化三铁,氢氧化铁中的任意一种或两种及两种以上的混合物。
进一步的,所述步骤S1中的磷源I为磷酸铁,磷酸二氢锂,磷酸,磷酸二氢铵,磷酸氢二铵中的任意一种或两种及两种以上的混合物。
进一步的,所述步骤S1中的碳源为葡萄糖,聚乙烯醇,蔗糖,聚乙二醇,酚醛树脂,柠檬酸,苯胺,维生素C中的一种或两种及两种以上的混合物。
进一步的,所述步骤S2中的过渡金属盐为氯化镍,硫酸镍,硝酸镍,乙酸镍;氯化钴,硫酸钴,硝酸钴,乙酸钴;氯化铜,硫酸铜,硝酸铜,乙酸铜中的一种或两种及两种以上的混合物。
进一步的,所述步骤S3中的磷源II为磷酸二氢铵,磷酸二氢钠,磷酸氢二铵,次磷酸钠,磷酸二氢钾中的一种或两种及两种以上的混合物。
进一步的,所述步骤S3中过渡金属氢氧化物包覆磷酸铁锂LiFePO4/MOH粉体和磷源II的用量为:M:P的摩尔比为(1.5-1):(1-2.5)。
进一步的,所述步骤S3中富金属磷化物与磷酸铁锂的质量比为(0.5-5):100。
本发明以导电性更高的M2P和M3P型磷化物,通过磷酸铁锂颗粒表面吸附金属离子,较短时间下低温磷化,极大的降低了其他金属离子掺杂和磷化铁生成的可能。其工艺简单,金属磷化物作为壳均匀包覆在磷酸铁锂纳米颗粒,降低颗粒界面电阻,提高导电性,阻碍电解液与活性颗粒的副反应发生。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
(1)磷酸铁锂的制备:称取二水草酸亚铁57.00g,磷酸二氢铵36.46g,碳酸锂11.71g,蔗糖11.9g,乙醇60ml为分散剂,球磨混合5h,转速为400r/min,得到流变相混合物。所得混合物放入真空烘箱,在温度50℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体。将所述固体前驱体进行1小时研磨,转速1500r/min,置于管式炉,通入高纯氮气保护,以升温速率5℃/min至700℃,保温8h,得到磷酸铁锂粉末固体。
(2)氢氧化镍包覆磷酸铁锂的制备:取40g磷酸铁锂固体粉末分散于50ml乙醇。冰浴超声30分钟,滴加两滴0.1M的稀硫酸,磷酸铁锂表面形成酸性活性位点,匀速搅拌下滴加0.1M氯化镍39ml,氨水调节pH值为8,形成Ni(OH)2沉淀并继续搅拌6h,过滤洗涤至中性,置于真空干燥箱温度为50℃下烘干,得到LiFePO4/Ni(OH)2。
(3)LiFePO4/Ni2P的制备:将上述得到的LiFePO4/Ni(OH)2粉体和0.46g磷酸二氢钠分别置于两个石英舟,间距5cm,磷酸二氢钠置于惰性气体流通上流处,通入氮气,以速率为1℃/min升温至300℃,保持1h进行磷化,即得到LiFePO4/Ni2P。
实施例2
(1)磷酸铁锂的制备:称取氧化铁25.36g,磷酸氢二铵41.86g,一水氢氧化锂13.32g,葡萄糖18.85g,乙醇40ml为分散剂,球磨混合3h,转速为300r/min,得到流变相混合物。所得混合物放入真空烘箱,在温度40℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体。将所述固体前驱体进行1.5小时研磨,转速1000r/min,置于管式炉,通入高纯氮气保护,以升温速率3℃/min,至750℃,保温4h,得到磷酸铁锂粉末固体。
(2)氢氧化钴包覆磷酸铁锂的制备:将40g磷酸铁锂固体粉末分散于50ml乙醇。冰浴超声30分钟,滴加两滴0.1M的稀硫酸,磷酸铁锂表面形成酸性活性位点,匀速搅拌下滴加0.1M氯化钴45ml,氨水调节pH值为9,形成Co(OH)2沉淀并继续搅拌7h,过滤洗涤至中性,置于真空干燥箱温度为70℃下烘干,得到LiFePO4/Co(OH)2。
(3)LiFePO4/Co2P的制备:将上述得到的LiFePO4/Co(OH)2粉体和1.35g磷酸二氢氨分别置于两个石英舟,间距10cm,磷酸二氢氨置于惰性气体流通上流处,通入氮气,以速率为1.5℃/min升温至350℃进行磷化,保持3h,即得到LiFePO4/Co2P。
实施例3
(1)磷酸铁锂的制备:称取磷酸铁47.60g,草酸锂16.14g,聚乙二醇25.52g,60ml乙醇为分散剂,球磨混合4h,转速为200r/min,得到流变相混合物。所得混合物放入真空烘箱,在温度80℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体。将上述固体前驱体进行2小时研磨,转速3000r/min,然后置于管式炉,通入高纯氮气保护,以升温速率2℃/min,至600℃,保温12h,得到磷酸铁锂粉末固体。
(2)氢氧化铜包覆磷酸铁锂的制备:将40g磷酸铁锂固体粉末分散于50ml乙醇。冰浴超声120分钟,滴加两滴0.1M的稀硫酸,磷酸铁锂表面形成酸性活性位点,匀速搅拌下滴加0.1M氯化铜60ml,氨水调节pH值为11,形成Cu(OH)2沉淀并继续搅拌8h,过滤洗涤至中性,置于真空干燥箱温度为40℃下烘干,得到氢氧化铜包覆磷酸铁锂LiFePO4/Cu(OH)2。
(3)LiFePO4/Cu3P的制备:将上述得到的LiFePO4/Cu(OH)2粉体和1.18g次磷酸钠分别置于两个石英舟,间距30cm,次磷酸钠置于惰性气体流通上流处,通入氮气,以速率为3℃/min升温至450℃进行磷化,保持4h,即得到LiFePO4/Cu3P。
实施例4
(1)磷酸铁锂的制备:称取质量分数为85%的磷酸36.55g,硝酸锂21.87g,四氧化三铁24.46g,聚乙烯醇20.12g,60ml乙醇为分散剂,球磨混合3.5h,转速为280r/min,得到流变相混合物。所得混合物放入真空烘箱,在温度60℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体。将上述固体前驱体进行1.2小时研磨,转速2000r/min,然后置于管式炉,通入高纯氮气保护,以升温速率4℃/min,至650℃,保温10h,得到磷酸铁锂粉末固体。
(2)氢氧化镍包覆磷酸铁锂的制备:将40g磷酸铁锂固体粉末分散于50ml乙醇。冰浴超声90分钟,滴加两滴0.1M的稀硫酸,磷酸铁锂表面形成酸性活性位点,匀速搅拌下滴加0.1M硫酸镍39ml,氨水调节pH值为10,形成Ni(OH)2沉淀并继续搅拌8h,过滤洗涤至中性,置于真空干燥箱温度为40℃下烘干,得到氢氧化镍包覆磷酸铁锂LiFePO4/Ni(OH)2。
(3)LiFePO4//Ni2P的制备:将上述得到的LiFePO4/Ni(OH)2粉体和0.52g磷酸二氢钾分别置于两个石英舟,间距20cm,磷酸二氢钾置于惰性气体流通上流处,通入氮气,以速率为2℃/min升温至400℃进行磷化,保持2h,即得到LiFePO4//Ni2P。
实施例5
(1)磷酸铁锂的制备:称取磷酸二氢锂32.97g,氢氧化铁33.92g,酚醛树脂26.11g,用60ml乙醇为分散剂,球磨混合3h,转速为400r/min,得到流变相混合物。所得混合物放入真空烘箱,在温度70℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体。将上述固体前驱体进行2小时研磨,转速2500r/min,然后置于管式炉,通入高纯氮气保护,以升温速率2℃/min,至630℃,保温6h,得到磷酸铁锂粉末固体。(2)氢氧化钴包覆磷酸铁锂的制备:将40g磷酸铁锂固体粉末分散于50ml乙醇。冰浴超声110分钟,滴加两滴0.1M的稀硫酸,磷酸铁锂表面形成酸性活性位点,匀速搅拌下滴加0.1M硝酸钴45ml,氨水调节pH值为8.5,形成Co(OH)2沉淀并继续搅拌8h,过滤洗涤至中性,置于真空干燥箱温度为60℃下烘干,得到氢氧化钴包覆磷酸铁锂LiFePO4/Co(OH)2。
(3)LiFePO4/Co2P的制备:将上述得到的LiFePO4/Co(OH)2粉体和1.55g磷酸氢二铵分别置于两个石英舟,间距20cm,磷酸二氢钾置于惰性气体流通上流处,通入氮气,以速率为2℃/min升温至400℃进行磷化,保持2h,即得到LiFePO4/Co2P。
对比例1
(1)磷酸铁锂的制备:称取二水草酸亚铁57.00g,磷酸二氢铵36.46g,碳酸11.71g,蔗糖11.9g,乙醇60ml为分散剂,球磨混合5h,转速为400r/min,得到流变相混合物。所得混合物放入真空烘箱,在温度50℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体。将固体前驱体进行1小时研磨,转速1500r/min,然后置于管式炉,通入高纯氮气保护,以升温速率5℃/min至700℃,保温8h,得到磷酸铁锂粉末固体。
对以上实施例和对比例进行电阻率,振实密度及电化学性能测试对实施例1~5、对比例1中制备的磷酸铁锂粉末材料进行充放电测试,半电池测试条件如下:
正极极片的制备:将活性正极材料、乙炔黑和PVDF按照质量比8:1:1称取,加入NMP制成均匀浆料,将其均匀涂布于铝箔上,厚度为100-120微米,充分干燥后裁剪为直径1cm的圆片。
扣式电池组装:正极极片,隔膜,负极金属锂片,电解液均置于充满氩气的手套箱,水分和氧气含量均控制在≤0.1ppm,组装后的电池静置12h,待测。LAND测试仪上进行充放电测试,电压范围为2.5-4.2V。
对比数据如表1
表1实验数据对比
由上述对比结可知,富金属磷化物包覆对于改善磷酸铁锂的性能是非常明显的。本发明通过包覆一层高导电性的富金属磷化物,有效的改善了磷酸铁锂材料导电性差的问题——电阻率以数量级的形式降低;同时在保证高克容量的前提下,材料的倍率及循环性能有了极大的改善。
以上发明所述具体实施例,只是作为范例,本发明不仅限于以上具体所述。对于本领域而言,任何对发明进行的等同修改和替换都在本发明范畴之内。
Claims (9)
1.一种富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,通过原位自组装金属氢氧化物包覆磷酸铁锂纳米颗粒,再将金属氢氧化物包覆磷酸铁锂纳米颗粒进行低温磷化制备富金属磷化物原位包覆的磷酸铁锂;所述富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法包括以下步骤:
S1、磷酸铁锂的制备:将锂源,铁源,磷源I和碳源,按照Li∶Fe∶P摩尔比为(1.0-1.2)∶1∶(0.8-1.0)称取,碳源加入量为反应得到磷酸铁锂总质量的1-10%,将称取好的锂源,铁源,磷源I和碳源置入乙醇分散剂中,球磨机中分散3-5h,转速为200-400r/min,得到流变相混合物;将所述流变相混合物放入真空烘箱中,在温度40-80℃下,乙醇挥发,得到固体前驱体;将所述固体前驱体进行1-2h干法研磨,转速1000-3000r/min,然后置于管式炉,通入高纯氮气保护,以2-5℃/min的升温速率,升温至600-750℃,保温4-12h,即得到磷酸铁锂固体粉末;
S2、氢氧化物包覆磷酸铁锂:将步骤S1所制备的磷酸铁锂固体粉末分散于乙醇中,冰浴超声30-120分钟,滴加一至两滴0.1M的稀硫酸,使磷酸铁锂表面形成酸性活性位点,并在匀速搅拌下滴加0.1M过渡金属盐,氨水调节pH值至8-11,形成过渡金属氢氧化物MOH沉淀并继续搅拌6-8h,过滤后用水洗涤至中性,置于真空干燥箱温度为40-80℃下烘干,得到过渡金属氢氧化物包覆磷酸铁锂LiFePO4/MOH;
S3、富金属磷化物包覆磷酸铁锂:将步骤S2所制备得到的过渡金属氢氧化物包覆磷酸铁锂LiFePO4/MOH粉体和磷源II分别置于两个石英舟,相距5-30cm,通入氮气,磷源II置于惰性气体流通上流处,以速率为1-3℃/min升温至300-450℃,磷化1-4h,即得到富金属磷化物包覆的磷酸铁锂LiFePO4/MxPy。
2.根据权利要求1所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中的锂源为氢氧化锂,碳酸锂,草酸锂,乙酸锂,硝酸锂,磷酸二氢锂,柠檬酸锂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中的铁源为磷酸铁,氧化铁,草酸亚铁,铁粉,四氧化三铁,氢氧化铁中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中的磷源I为磷酸铁,磷酸二氢锂,磷酸,磷酸二氢铵,磷酸氢二铵中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中的碳源为葡萄糖,聚乙烯醇,蔗糖,聚乙二醇,酚醛树脂,柠檬酸,苯胺,维生素C中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中的过渡金属盐为氯化镍,硫酸镍,硝酸镍,乙酸镍,氯化钴,硫酸钴,硝酸钴,乙酸钴,氯化铜,硫酸铜,硝酸铜,乙酸铜中的一种或多种。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S3 中的磷源II为磷酸二氢铵,磷酸二氢钠,磷酸氢二铵,次磷酸钠,磷酸二氢钾中的一种或多种。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中过渡金属氢氧化物包覆磷酸铁锂LiFePO4/MOH粉体和磷源II的用量为:M∶P的摩尔比为(1.5-1)∶(1-2.5)。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的富金属磷化物包覆磷酸铁锂的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中富金属磷化物与磷酸铁锂的质量比为(0.5-5)∶100。
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