一种高容量铁基锂离子电池正极材料α-LiFeO制造技术

本发明专利技术属于锂离子电池领域，提供一种高容量铁基锂离子电池正极材料α‑LiFeO

【技术实现步骤摘要】
一种高容量铁基锂离子电池正极材料α-LiFeO2的制备方法
本专利技术属于锂离子电池领域，涉及一种高容量铁基锂离子电池正极材料α-LiFeO2的制备方法。
技术介绍
传统能源的不可再生性和高污染性迫使人们不断寻求新型高比能、低污染的替代能源。第二届联合国环境大会更是聚焦绿色和可持续发展，重点探讨绿色新能源的开发利用，中国作为能源消耗大国，一直在着力开发绿色新能源。锂离子二次电池因具有能量密度高，循环寿命长，无记忆效应，可重复利用，对环境友好、无污染等优点而被广泛的关注研究并应用，成为纯电动汽车、混合电动汽车和储能电站以及便携式移动电子产品的主要供能系统，也是国内外较热门的新型绿色能源。目前，商业化的锂离子电池正极材料主要有LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4及LiFePO4；其中LiCoO2是应用最早最广泛的正极材料，但钴资源稀缺、价格昂贵，其毒性大对环境有害；并且，虽然LiCoO2的理论比容量高达274mAh·g-1，但在实际应用中容量只能达到140mAh·g-1。LiNiO2具有与LiCoO2相似的层状结构，实际容量可达190-210mAh·g-1，循环性能良好，但合成困难，热稳定性差，产品质量不高，且在循环充放电时，结构容易发生坍塌，尤其是在高温下安全性能差等。尖晶石结构的LiMn2O4原材料丰富，价格低廉，对环境友好，但理论比容量较低，只有148mAh·g-1，可逆比容量仅在120mAh·g-1左右，导致了能量密度较低，且容易发生锰的溶解歧化和Jahn-Teller效应致使容量快速衰减，尤其是在高温条件下更甚。橄榄石型的LiFePO4正极材料虽然价廉环保，但存在能量密度低，低温导电性差等缺点。为了改善已有正极材料的缺点，推动锂离子电池电极材料向高能量密度、低成本、高安全性和良好的循环性能等方向发展，国内外相关机构都投入大量人力物力研究新型锂离子电池电极材料。铁作为地球上储存含量最高的元素，其价格低廉，无任何毒性，对环境友好，因此，铁基电极材料尤其是正极材料正在受到越来越多的关注。目前，铁基材料作为锂离子电池负极材料的研究较多，但作为正极材料的研究报道极少。可以预料，在不久的将来，铁基电极材料将会成为新的研究热点，铁基正极材料将是最具有竞争力的锂离子电池电极材料。LiFeO2具有多种不同的晶型，主要有α-LiFeO2、β-LiFeO2、γ-LiFeO2、波纹状LiFeO2、四面体型t-LiFeO2、锰钡矿型LiFeO2、针铁矿型LiFeO2。一般超过600℃合成的LiFeO2电化学活性较低，具有良好电化学活性的LiFeO2都是通过低温合成方法合成制得；在所有的LiFeO2晶型中，唯有α-LiFeO2具有最佳的电化学性能；α-LiFeO2具有典型的α-NaFeO2层状结构，属于R3m空间群。常规α-LiFeO2用做锂离子电池正极材料，具有283mAh/g的比容量，与LiMnO2的285mAh/g比容量相当，高于钴酸锂的274mAh/g比容量；而且富锂的Li1+xFeO2(0<x<1)用做锂离子电池正极材料时，具有最高530mAh/g的比容量，远远高于LiMnO2的285mAh/g比容量和钴酸锂的274mAh/g比容量。因此α-LiFeO2和富锂α-Li1+xFeO2(0<x<1)是一种潜在的高容量、低成本锂离子电池正极材料，具有非常广泛的应用前景。目前，LiFeO2的制备方法主要包括高温固相法、低温熔盐法、水热合成法、溶剂热合成法、离子交换法和低温固相法等；其中通过固相反应法得到的LiFeO2颗粒较大且粒径分布不均匀，电池容量较低，循环性能也不理想；在液相法中，主要采用的是离子交换法和溶剂热合成法，所用的锂源一般包括两种或两种以上，且铁源要以硝酸铁，氯化铁或者三氧化二铁经过反应，形成前驱物后再与锂源反应，整个反应过程冗长复杂，所需仪器设备较多，过程难以控制，较难实现商业化生产。为了避免传统固相合成法和液相合成法的缺点，本专利技术提供了一种高容量铁基锂离子电池正极材料α-LiFeO2的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有α-LiFeO2正极材料合成方法繁杂、电化学性能差、结构复杂、产物不纯净等缺点，提供一种高容量铁基锂离子电池正极材料α-LiFeO2的制备方法；本方法采用在室温下合成的方法，通过严格控制Li+/Fe3+摩尔比制备α-LiFeO2，其主要特征是把各反应物溶于无水乙醇中，在室温下通过磁力搅拌直接合成α-LiFeO2，通过在反应过程中引入金属锂作为还原保护剂，可得到富锂的α-LiFeO2产品，所得产物经过离心分离洗涤后烘干，再研磨细化后烘干得到电化学性能优异的锂离子电池α-LiFeO2正极材料；并且，制造成本低、合成方法简单，适合规模化的工业生产。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高容量铁基锂离子电池正极材料α-LiFeO2的制备方法，包括以下步骤：步骤1.将锂源原料和铁源原料按摩尔比Li+/Fe3+＝(1～15)/1分别溶解于无水乙醇中，在磁力搅拌下将铁源溶液滴加至锂源溶液中，在室温下继续磁力搅拌1～10h，得到生成红棕色沉淀物的混合溶液；步骤2.在磁力搅拌下将与铁等摩尔量的金属锂加入步骤1所得混合溶液中，在室温下磁力搅拌1～10h，得到暗褐色沉淀产物；步骤3.将步骤2所得沉淀产物经过离心分离，再用去离子水和无水乙醇反复交替洗涤3～8次；步骤4.将步骤3所得沉淀产物放入70～100℃烘箱中干燥4h～20h，得到干燥样品；步骤5.将步骤4所得的干燥样品研磨10～30min，将细化后的粉体置于70～100℃烘箱中再次干燥10～20h，得到富锂α-LiFeO2。进一步的，步骤1中，所述锂源原料为醋酸锂或单水氢氧化锂；所述铁源原料为九水硝酸铁或乙酸铁。本专利技术具有如下优点：1、本专利技术采用子室温下直接化学合成α-LiFeO2的方法，将锂源、铁源分别溶解于有机溶剂中，将铁源溶液滴加至锂源溶液中，在室温下和磁力搅拌反应时加入与铁等摩尔量的金属锂，待反应结束后，通过离心分离、洗涤，烘干、研磨、再烘干，得到粒径分布均匀、无杂质、电化学性能良好的锂离子电池富锂α-LiFeO2正极材料，克服了传统固相法和液相法实验过程冗长繁杂、成本高、材料电化学性能较差的缺点。2、本专利技术所涉及的原材料来源极其广泛，价格非常低廉，且无毒无污染，对环境极其友好。3、本专利技术所涉及的制备工艺设备简单，操作简便，易于实现规模化工业生产。4、本专利技术所采用的Li+/Fe3+摩尔比对LiFeO2的晶型和电化学性能起到关键作用，该摩尔比下所得的材料无杂质、纯度高、物相单一，粒径分布均匀，在0.1C、0.2C和0.5C充放电倍率下首次放电比容量分别达到450mAh/g、260mAh/g和202mAh/g。附图说明图1为本专利技术制备的锂离子电池正极材料α-LiFeO2的工艺流程图。图2为本专利技术制备的锂离子电池正极材料α-LiFeO2的XRD图。图3为本专利技术制备的锂离子电池正极材料α-LiFeO2的SEM图。图4为本专利技术制备的锂离子电池正极材料α-LiFeO2在0.1C倍率下的首次放电曲线图。图5为本专利技术制备的锂离子电池正极材料α-LiFeO2在0.2C倍率下的首次放电曲线图。图6为本专利技术制备的锂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高容量铁基锂离子电池正极材料α‑LiFeO2的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将锂源原料和铁源原料按摩尔比Li

【技术特征摘要】
1.一种高容量铁基锂离子电池正极材料α-LiFeO2的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将锂源原料和铁源原料按摩尔比Li+/Fe3+＝(1～15)/1分别溶解于无水乙醇中，在磁力搅拌下将铁源溶液滴加至锂源溶液中，在室温下继续磁力搅拌1～10h，得到生成红棕色沉淀物的混合溶液；步骤2.在磁力搅拌下将与铁等摩尔量的金属锂加入步骤1所得混合溶液中，在室温下磁力搅拌1～10h，得到暗褐色沉淀产物；步骤3.将步骤2所得沉淀产物经过离心分离，再用去离子水和无水乙醇反复交替洗涤3～8次；步骤4.将步骤3所得沉淀产物放入烘箱中干燥，得到干燥样品；步骤5.将步骤4所得的干燥样品...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴泉，胡友作，刘珊珊，谭铭，舒小会，张美玲，何泽珍，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51