首页 / 专利库 / 化学反应,工艺和试剂 / 离子注入 / 两步共沉淀制备微‑纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法

两步共沉淀制备微‑纳多孔结构磷酸前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法

阅读:383发布:2024-02-12

专利汇可以提供两步共沉淀制备微‑纳多孔结构磷酸前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种两步共沉淀法制备微‑纳多孔结构 磷酸 铁 前躯体及磷酸铁锂 正极材料 的方法,其特征在于:步骤包括:第一反应器内连续快速制备 纳米级 磷酸铁一次颗粒前驱体;纳米级磷酸铁一次颗粒前驱体在第二反应器内聚合组装生成微‑纳多孔结构的微米级磷酸铁二次颗粒;具有微‑纳结构的微米级磷酸铁二次颗粒混锂和 煅烧 制备磷酸铁锂正极材料。具有 导电性 和倍率性好, 空隙率 高、粒径分布均匀、振实 密度 高、易于加工的优点。,下面是两步共沉淀制备微‑纳多孔结构磷酸前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法专利的具体信息内容。

1.一种两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:步骤包括:第一反应器内连续快速制备纳米级磷酸铁一次颗粒前驱体;纳米级磷酸铁一次颗粒前驱体在第二反应器内聚合组装生成微-纳多孔结构的微米级磷酸铁二次颗粒;具有微-纳结构的微米级磷酸铁二次颗粒混锂和煅烧制备磷酸铁锂正极材料。
2.根据权利要求1所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:所述的第一反应器内连续快速制备纳米级磷酸铁一次颗粒前驱体的具体步骤包括:
(1.1)称取磷酸盐和三价铁盐溶于去离子,分别配置成0.1mol/L~3mol/L的磷酸盐溶液和0.1mol/L~3mol/L的三价铁盐溶液;将25-28%的浓水稀释配置成0.1mol/L~
3mol/L的稀氨水;
(1.2)采用蠕动计量泵将含磷酸盐溶液和三价铁盐溶液注入到第一反应器中,确保磷酸根与铁离子的摩尔比为0.98~1.02:1;
(1.3)磷酸根离子与三价铁离子在第一反应器内快速混合和反应,并爆发成核,生成纳米级磷酸铁锂一次颗粒。
3.根据权利要求2所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:步骤(1.1)中所述的三价铁盐为硝酸铁或氯化铁;步骤(1.1)中所述的磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵或磷酸;步骤(1.2)中所述的第一反应器为具有高强度微观混合能、实现爆发式成核的特性,如声波强化撞击流反应器、利用超声波与撞击流强化反应物混合。
4.根据权利要求1所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:微-纳多孔结构的微米级磷酸铁二次颗粒的具体制备步骤包括:
(2.1)将含有步骤(1.3)所制的纳米级磷酸铁锂一次颗粒的母液置于第二反应器,在搅拌速度为200-1500rpm的条件下继续反应1~60小时;
(2.2)在此过程中,蠕动泵以一定流速往反应釜中通入磷酸盐溶液和三价铁盐溶液,并缓慢加入稀氨水把pH值调控在1.5~2.2范围;第二反应器内的温度控制在50-70℃;随着反应的进行,反应液中有大量淡黄色沉淀生成。
5.根据权利要求4所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:步骤(2.2)的一定流速为4.34-21.7ml/min。
6.根据权利要求4所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:步骤(2.1)中的第二反应器为搅拌釜反应器或泰勒反应器。
7.根据权利要求1所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:微-纳结构的微米级磷酸铁二次颗粒混锂的具体步骤包括:
(3.1)将前述步骤(2.2)所制得的淡黄色沉淀用去离子洗涤数次,并置于80-120℃的干燥箱中烘干,经研磨粉碎获得具有微-纳多孔结构的磷酸铁前驱体粉体;
(3.2)将磷酸铁前驱体粉体与锂源化合物以1:0.98-1.08的摩尔比例混合,并在球磨机中以200-800rpm的转速球磨0.5-8小时,得到混合均匀的磷酸铁与锂源化合物混合物。
8.根据权利要求7所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:步骤(3.2)中锂源化合为氢化锂或酸锂。
9.根据权利要求1所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:煅烧制备磷酸铁锂正极材料的具体包括:
(4.1)将前述步骤(3.2)制备的磷酸铁与锂源化合物混合物与碳原化合物以磷酸铁:碳源化合物=1:0.1-0.2的摩尔比例均匀混合;在氮气或其它惰性气氛下,于650-750℃高温条件下煅烧3-20小时,制得到微-纳多孔结构的磷酸铁锂正极材料。
10.根据权利要求9所述的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法,其特征在于:步骤(4.1)中的碳源化合物为淀粉蔗糖或碳粉。

说明书全文

两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸前驱体与磷酸铁锂正

极材料的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料制备技术领域,具体涉及采用两种不同结构反应器的两步共沉淀制备微-纳多孔结构磷酸铁前驱体与磷酸铁锂正极材料的方法。

背景技术

[0002] 1992年,索尼公司第一次将锂离子电池引入市场。现如今,锂离子电池已经广泛用于手机、电脑等便携式设备领域,电动汽车领域,以及其他储能设备领域。在众多锂离子电池正极材料中,具有橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料,因铁资源丰富、无毒、低成本,以及优良的电化学性能和良好的循环性能等优点,已经在锂离子电池的发展中占有越来越重要地位。但是,磷酸铁锂正极材料的理论放电容量为170mAh g-1,而实际放电容量一般只有110mAh g-1,这是由于较低的电子电导率(10-10~10-9S/cm)、锂离子扩散系数(1.8×10-
14cm2/S)等缺点所造成的,这些缺点也一直严重制约着磷酸铁锂正极材料在现实生活与生产中的应用。

发明内容

[0003] 本发明针对现有技术的上述不足,提供一种导电性和倍率性好,空隙率高、粒径分布均匀、振实密度高、易于加工的两步共沉淀法制备微-纳多孔结构磷酸铁前躯体及磷酸铁锂正极材料的方法。
[0004] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种两步共沉淀法制备微-纳多孔结构磷酸铁前躯体及磷酸铁锂正极材料的方法,步骤包括:第一反应器内连续快速制备纳米级磷酸铁一次颗粒前驱体;纳米级磷酸铁一次颗粒前驱体在第二反应器内聚合组装生成微-纳多孔结构的微米级磷酸铁二次颗粒;具有微-纳结构的微米级磷酸铁二次颗粒混锂和煅烧制备磷酸铁锂正极材料。
[0005] 本发明上述第一反应器内连续快速制备纳米级磷酸铁一次颗粒前驱体,具体步骤包括:
[0006] (1.1)称取磷酸盐和三价铁盐溶于去离子,分别配置成0.1mol/L~3mol/L的磷酸盐溶液和0.1mol/L~3mol/L的三价铁盐溶液;将25-28%(NH3的质量百分浓度)的浓氨水稀释配置成0.1mol/L~3mol/L的稀氨水;
[0007] (1.2)采用蠕动计量泵将含磷酸盐溶液和三价铁盐溶液注入到第一反应器中,确保磷酸根与铁离子的摩尔比为0.98~1.02:1;
[0008] (1.3)磷酸根离子与三价铁离子在第一反应器内快速混合和反应,并爆发成核,生成纳米级磷酸铁锂一次颗粒。
[0009] 本发明步骤(1.1)中所述的铁盐为三价铁盐,如硝酸铁,氯化铁等。
[0010] 本发明步骤(1.1)中所述的磷酸盐可以是磷酸氢二铵、磷酸二氢铵或磷酸。
[0011] 本发明步骤(1.2)中所述的第一反应器为具有高强度微观混合能、实现爆发式成核的特性,如声波强化撞击流反应器、利用超声波与撞击流强化反应物混合。
[0012] 本发明上述微-纳多孔结构的微米级磷酸铁二次颗粒的制备,具体制备步骤包括:
[0013] (2.1)将含有步骤(1.3)所制的纳米级磷酸铁锂一次颗粒的母液置于第二反应器,在搅拌速度为200-1500rpm的条件下继续反应1~60小时;
[0014] (2.2)在此过程中,蠕动泵以一定流速往反应釜中通入磷酸盐溶液和三价铁盐溶液,并缓慢加入稀氨水把pH值调控在1.5~2.2范围;第二反应器内的温度控制在50-70℃;随着反应的进行,反应液中有大量淡黄色沉淀生成。
[0015] 本发明上述步骤(2.2)的一定流速为20-100rpm即等同于4.34-21.7ml/min。
[0016] 本发明步骤(2.1)中的第二反应器,具有反应器停留时间长,混合均匀等特点,可以是搅拌釜反应器或泰勒反应器。
[0017] 本发明上述微-纳结构的微米级磷酸铁二次颗粒混锂方法,具体步骤包括:
[0018] (3.1)将前述步骤(2.2)所制得的淡黄色沉淀用去离子洗涤数次,并置于80-120℃的干燥箱中烘干,经研磨粉碎获得具有微-纳多孔结构的磷酸铁前驱体粉体;
[0019] (3.2)将磷酸铁前驱体粉体与锂源化合物以1:0.98-1.08的摩尔比例混合,并在球磨机中以200-800rpm的转速球磨0.5-8小时,得到混合均匀的磷酸铁与锂源化合物混合物。
[0020] 本发明步骤(3.2)中锂源化合物可以是氢化锂或酸锂。
[0021] 本发明上述煅烧制备磷酸铁锂正极材料的方法,具体包括:
[0022] (4.1)将前述步骤(3.2)制备的磷酸铁与锂源化合物混合物与碳原化合物以磷酸铁:碳源化合物=1:0.1-0.2的摩尔比例均匀混合;在氮气或其它惰性气氛下,于650-750℃高温条件下煅烧3-20小时,制得到微-纳多孔结构的磷酸铁锂正极材料。
[0023] 本发明步骤(4.1)中的碳源化合物可以是淀粉蔗糖或碳粉等。
[0024] 本发明的优点和有益效果:
[0025] 1.本发明采用特定的工艺步骤:(1)在具有快速微观混合能力的第一反应器内,如超声波强化撞击流反应器,快速混合反应物,发生反应、沉淀,并生成粒度均匀的纳米级磷酸铁一次颗粒;(2)在第二反应器内,如搅拌反应器或泰勒反应器,加入反应物以及前述制备的纳米级磷酸铁一次颗粒,发生反应、沉淀,聚合组装纳米级磷酸铁一次颗粒,生成具有微-纳多孔结构的磷酸铁二次颗粒。而对应的磷酸铁锂正极材料的制备步骤包括:(3)碳包覆微/纳多孔结构的磷酸铁前躯体;(4)磷酸铁前躯体与锂源混合,并烧结制备磷酸铁锂正极材料。该工艺保证了各个步骤的中间产品快速、准确功效的制备出来,提高了生产效率。
[0026] 2.本发明制备的高振实密度的微-纳组装结构的类球形磷酸亚铁及其正极材料,即具有纳米级磷酸铁锂的良好导电性与倍率性,又解决了纳米级磷酸铁锂振实密度低的缺点。相比传统共沉淀法所得磷酸亚铁及其正极材料颗粒,本发明制备的微米级正极材料具有孔隙率高、粒径分布均匀、振实密度高、易于加工。并且,本发明的制备方法工艺简单、成本低、产品形貌可控等优点。附图说明
[0027] 图1为制备的磷酸铁前驱体的扫描电镜(SEM)图
[0028] 图2为制备的磷酸铁前驱体单个颗粒的扫描电镜(SEM)图
[0029] 图3磷酸铁前驱体的BET比表面积及孔隙度分析仪图
[0030] 图4为制备的磷酸铁锂前驱体的X射线衍射(XRD)图
[0031] 图5为制备的碳包覆磷酸铁锂的扫描电镜(SEM)图
[0032] 图6为制备的磷酸铁锂的X射线衍射(XRD)图
[0033] 图7为制备的碳包覆磷酸铁锂的对应的扣式电池充放电图

具体实施方式

[0034] 下面通过实施例进一步详细描述本发明,但本发明不仅仅局限于以下实施例。
[0035] 实施例
[0036] 1.利用分析天平精确称取九水硝酸铁(410.14g,98.5%)和磷酸氢二铵(133.39g,99%),分别溶于去离子水中,搅拌溶解并过滤除去不溶物杂质,制备成1mol/L的硝酸铁溶液和1mol/L磷酸氢二铵溶液;
[0037] 2.将配制好的九水硝酸铁溶液和磷酸氢二铵溶液分别经位于超声波强化撞击流反应器两侧的进料口进料,蠕动泵转速均匀为57.6rpm(12.5ml/min),在此过程中,开始超声模式,以20kHz频率对进入撞击流反应器的溶液进行连续超声;
[0038] 3.含纳米级磷酸铁一次颗粒的反应母液离开撞击流反应器后进入搅拌反应釜继续反应24小时;在此过程中,控制反应釜中反应温度为50-70℃;控制搅拌桨转速为1500rpm;通过3mol/L氨水的添加控制pH 1.90-2.00;磷酸氢二铵溶液和九水硝酸铁溶液通过位于搅拌反应釜内部的进料管持续进料,控制进料速率为0.5-2rpm。随着反应的进行,反应液中有大量淡黄色沉淀生成。
[0039] 4.将反应液过滤,并用去离子水洗涤数次,烘干后得到微-纳多级多孔结构磷酸铁前驱体(如图1和2所示)。经粒度仪Bettersizer 2000测量,使用此方法合成的磷酸铁前驱体二次颗粒平均粒径为5.878um。经BET测量,使用此方法合成的磷酸铁前驱体一次颗粒平均粒径为44.60nm,比表面积为134.54m2 g-1。如图3所示,微-纳多级多孔结构磷酸铁前驱体的孔隙主要集中在2-50nm。此孔隙有助于提高磷酸铁锂正极材料与电解液的接触面积,从容提高磷酸铁锂的电导率。
[0040] 5.微-纳多级多孔结构磷酸铁前驱体粉末放入夫炉中,在750℃煅烧8小时,得到有结晶结构的微/纳多级多孔结构磷酸铁前驱体,并对其进行X射线衍射(XRD)测量(如图3所示)。经煅烧后的磷酸铁XRD图与六方晶系磷酸铁标准卡片PDF#29-0715稳合,证明煅烧后的样品为纯相的六方磷酸铁
[0041] 6.在微-纳多级多孔结构磷酸铁前驱体粉末中加入锂源化合物和碳源化合物,使锂、铁和碳元素摩尔比为1.05:1:0.1,得到的混合物进行球磨,球磨机转速为400rpm。球磨6h后,混合物置于氮气气氛中于650-750℃高温煅烧6-8小时,得到微-纳多级结构磷酸铁锂-3
正极材料,其振实密度为1.53g/cm .对其进行测量扫描电镜(SEM,图5)和X射线衍射(XRD,图6)测量。如图6所示,样品的衍射峰与峰与橄榄石型结构的磷酸铁锂标准卡片PDF#97-
015-4117一致,即合成的样品是空间群为Pnmb的斜方晶系橄榄石结构的磷酸铁锂。
[0042] 称取0.8g所得的碳包覆磷酸铁锂正极材料,加入0.15g乙炔黑作为导电剂和0.05g PVDF(聚偏氟乙稀)作粘合剂,在溶剂NMP(N-甲基吡咯烷)中均匀混合并涂布在箔上制作正极。将附有碳包覆磷酸铁锂的正极制成CR2032扣式电池后,0.1C首次放电比容量为130.47mAhg-1,0.2C首次放电比容量为128.88mAhg-1,0.5C首次放电比容量为116.39mAhg-1,
1C首次放电比容量为96.70mAhg-1(如图6所示)。
[0043] 上述实施例证明本发明制备的高振实密度的微-纳组装结构的类球形磷酸亚铁及其正极材料,即具有纳米级磷酸铁锂的良好导电性与倍率性,又解决了纳米级磷酸铁锂振实密度低的缺点。相比传统共沉淀法所得磷酸亚铁及其正极材料颗粒,本发明制备的微米级正极材料具有孔隙率高、粒径分布均匀、振实密度高、易于加工。并且,本发明的制备方法工艺简单、成本低、产品形貌可控等优点。
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈