一种磷酸铁锂/碳化硅复合型材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种磷酸铁锂/碳化硅复合型材料及其制备方法，该材料含有的化合物的通式为LixFeyM1‑yPO4·aLi3Fe2(PO4)3其中0.90≤x≤1.1，0.9≤y≤1，0.01％≤a(质量比)≤5％；且碳化硅包覆在化合物上，碳化硅的含量为材料总质量的0.1％～10％。本发明专利技术用碳化硅包覆代替常规的碳包覆，制得更高密度、颗粒表面更光滑材料，具有加工性能好、压实密度高、材料电化学性能优异，合成方法简单，易于控制。

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸铁锂/碳化硅复合型材料及其制备方法
本专利技术属于复合型锂离子电池正极材料合成
，尤其是涉及一种磷酸铁锂/碳化硅复合型材料及其制备方法。
技术介绍
自1997年Goodenogh首次报道LiFePO4可作为锂离子电池正极材料以来，其具有无毒、对环境友好、原料来源丰富、循环性能优异、热稳定好等显著特点，成为新一代最具开发和应用潜力的锂离子电池正极材料。由于LiFePO4结构限制，使其存在电子电导率和离子扩散速率极低的缺陷。LiFePO4极低的电子电导率和离子扩散速率使大倍率放电时材料电化学界面严重极化，电化学惰性区域蔓延，使得材料中死锂比例增多，导致其在高倍率大电流放电时首效较低和电化学性能较差，致使LiFePO4在容量、倍率、导电性方面存在缺陷。目前，主要通过双层碳包覆改善LiFePO4离子加工性能及电子导电能力，从而整体改善LiFePO4的电化学性能。但其加工性能有限，在合成成品电池时成品高，其压实密度有限，在其成品电池的容量有限，且其低温大倍率放电时，首效较低，从而影响了其容量发挥。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种磷酸铁锂/碳化硅复合型材料及其制备方法，以克服现有技术的不足，其具有高压实以及高加工性能，用碳化硅包覆代替常规的碳包覆，制得更高密度、颗粒表面更光滑材料。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种磷酸铁锂-碳化硅复合型材料，该材料含有的化合物的通式为LixFeyM1-yPO4·aLi3Fe2(PO4)3其中0.90≤x≤1.1，0.9≤y≤1，0.01％≤a(质量比)≤5％；且碳化硅包覆在化合物上，碳化硅的含量为材料总质量的0.1％～10％。优选的，M为Zn、Mn、Cu、Mg、Ti、Zr、Al、V、Cr、Nb、Co中的一种或两种以上；优选的，磷酸铁锂-碳化硅复合型材料的一次粒径为20～300nm。本专利技术还提供一种制备如权利要求1或2所述的磷酸铁锂/碳化硅复合型材料的方法，其特征在于：包括如下步骤，(1)将铁源、磷源按照摩尔比1：0.7～1.3配制成0.4～8mol/L的酸液A1，酸液A1中的铁离子为三价铁离子；其中，0.4～8mol/L为氢离子的摩尔浓度，即保持溶液一定的pH值。(2)在酸液A1中加入铁源摩尔量的0.1％～20％的添加剂，形成酸液A2；(3)按照摩尔浓度0.4～8mol/L配制碱液B；(4)在反应容器中加入去离子水作为底液，并保持温度在45～85℃之间；将酸液A2按照10～200mL/min加入至反应容器中，并同时滴加碱液，控制pH在1～4之间、反应温度在45～85℃之间，控制反应时间为2～8h，得到纳米磷酸铁浆料；其中使用碱液控制反应生成的磷酸铁浆料pH，“控制反应时间”为开始加碱液至反应结束的时间。(5)将步骤(4)制得的纳米磷酸铁浆料与锂源、碳化硅源及掺杂元素进行充分混合分散，再在温度为150～350℃以及保护气体下进行高温脱水得到碳化硅镶嵌在磷酸铁上的磷酸铁锂前驱体。使用的碳化硅源包括：碳化硅微粉、碳化硅乳液中的一种或两种以上。(6)将步骤5)制得的磷酸铁锂前驱体在保护性气氛下以2～10℃/min的加热速率进行升温，于400～800℃恒温焙烧3～12小时，得到磷酸铁锂/碳化硅复合正极材料。通过高温烧结得到颗粒光滑、高密度型材料。优选的，铁源包括，硝酸铁、硫酸铁、草酸铁、柠檬酸铁、醋酸铁、醋酸亚铁、草酸亚铁、硫酸亚铁、氯化亚铁中的一种或两种以上；当铁源为二价铁源时，加入氧化剂对其进行氧化，然后得到酸液A1；使用的氧化剂为氧气、双氧水、次氯酸、次氯酸钠中的一种或两种以上，也可以使用其他适宜的氧化剂。所述磷源包括：磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵、磷酸二氢锂中的一种或两种以上。优选的，步骤(2)中，所述添加剂为柠檬酸、柠檬酸铵、酒石酸、酒石酸铵、草酸、磺基水杨酸、马来酸、马来酸铵中的一种或两种以上。优选的，步骤(3)中，碱液B是由氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氨水、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种所配制的水溶液。优选的，步骤(5)中，所述锂源包括：磷酸二氢锂、氢氧化锂、硝酸锂、醋酸锂、硫酸锂中的一种或两种以上，所述掺杂源包括：氧化镁、二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钒、氧化铬中的一种或两种以上；步骤(6)中的保护气体为氮气、氩气或二氧化碳中的一种或两种以上。本专利技术同时提供一种正极，包括如上所述的磷酸铁锂-碳化硅复合型材料；或者如上所述的制备方法得到的磷酸铁锂-碳化硅复合型材料。本专利技术也提供一种锂离子电池，包括如上所述的磷酸铁锂-碳化硅复合型材料；或者如上所述的制备方法得到的磷酸铁锂-碳化硅复合型材料。相对于现有技术，本专利技术所述的磷酸铁锂-碳化硅复合型材料及其制备方法，具有以下优势：本专利技术用碳化硅包覆代替常规的碳包覆，制得更高密度、颗粒表面更光滑材料，具有加工性能好、压实密度高、材料电化学性能优异，合成方法简单，易于控制。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的正极活性材料的SEM图。图2是本专利技术对比例1制备的正极活性材料的SEM图。具体实施方式除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本专利技术所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下面结合实施例来详细说明本专利技术。实施例1将硫酸铁、磷酸二氢铵按照摩尔比1：1配置成0.5mol/L的酸液A1，按照铁摩尔量的8％加入酒石酸，形成酸液A2，按照摩尔浓度3mol/L配置碳酸钠溶液，即碱液B，在反应釜中加入一定量的去离子水，控制温度在45～50℃之间，将酸液A2按照200mL/min的速度加入到反应釜中，并同时滴加碱液B，控制pH在1.0～1.5之间，反应时间控制在6h制得纳米磷酸铁浆料，在所制得的浆料中，加入前驱体质量5％的碳化硅微粉、0.2％的二氧化钛微粉，按照磷酸铁摩尔比的0.95加入硫酸锂溶液，搅拌均匀后在240℃下将浆料进行喷雾造球，得到磷酸铁锂前驱体，磷酸铁锂前驱体在保护性气氛(氮气)下以3℃/min的加热速率进行升温，于680℃恒温焙烧10小时，一次粒径为50-100nm的高压实、高加工性能磷酸铁锂/碳化硅复合正极材料。实施例2将硫酸亚铁、磷酸按照摩尔比1：1.2配置成3mol/L的酸液A1，按照铁离子氧化所需的氧化剂的量过量10％加入双氧水进行氧化，氧化完成后按照铁摩尔量的0.1％加入柠檬酸，形成酸液A2，按照摩尔浓度5mol/L配置氢氧化钠和氨水的混合溶液，两者摩尔比为1：1，即得到碱液B，在反应釜中加入一定量的去离子水，控制温度在60～75℃之间，将酸液A2按照50mL/min的速度加入到反应釜中，并同时滴加碱液，控制pH在3.2～3.8之间，反应时间控制在2h制得纳米磷酸铁浆料，加入前驱体质量8％碳化硅乳液、0.2％的二氧化钛微粉，按照磷酸铁摩尔比的1.02加入氢氧化锂，搅拌均匀后在240℃下将浆料进行喷雾造球，得到磷酸铁锂前驱体，磷酸铁锂前驱体在保护气氛(氮气)下以10℃/min的加热速率进行升温，于750℃恒温焙烧8小时，一次粒径为100-150nm的高压实、高加工性能磷酸铁锂/碳化硅复合正极材料。实施例3将硝酸铁、磷酸铵按照摩尔比1：0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磷酸铁锂/碳化硅复合型材料，其特征在于：该材料含有的化合物的通式为LixFeyM1‑yPO4·aLi3Fe2(PO4)3其中0.90≤x≤1.1，0.9≤y≤1，0.01％≤a(质量比)≤5％；且碳化硅包覆在化合物上，碳化硅的含量为材料总质量的0.1％～10％。

【技术特征摘要】
1.一种磷酸铁锂/碳化硅复合型材料，其特征在于：该材料含有的化合物的通式为LixFeyM1-yPO4·aLi3Fe2(PO4)3其中0.90≤x≤1.1，0.9≤y≤1，0.01％≤a(质量比)≤5％；且碳化硅包覆在化合物上，碳化硅的含量为材料总质量的0.1％～10％。2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂/碳化硅复合型材料，其特征在于：M为Zn、Mn、Cu、Mg、Ti、Zr、Al、V、Cr、Nb、Co中的一种或两种以上；优选的，磷酸铁锂-碳化硅复合型材料的一次粒径为20～300nm。3.一种制备如权利要求1或2所述的磷酸铁锂/碳化硅复合型材料的方法，其特征在于：包括如下步骤，(1)将铁源、磷源按照摩尔比1：0.7～1.3配制成0.4～8mol/L的酸液A1，酸液A1中的铁离子为三价铁离子；(2)在酸液A1中加入铁源摩尔量的0.1％～20％的添加剂，形成酸液A2；(3)按照摩尔浓度0.4～8mol/L配制碱液B；(4)在反应容器中加入去离子水作为底液，并保持温度在45～85℃之间；将酸液A2按照10～200mL/min加入至反应容器中，并同时滴加碱液，控制pH在1～4之间、反应温度在45～85℃之间，控制反应时间为2～8h，得到纳米磷酸铁浆料；(5)将步骤(4)制得的纳米磷酸铁浆料与锂源、碳化硅源及掺杂元素进行充分混合分散，再在温度为150～350℃以及保护气体下进行高温脱水得到碳化硅镶嵌在磷酸铁上的磷酸铁锂前驱体；(6)将步骤5)制得的磷酸铁锂前驱体在保护性气氛下以2～10℃/min的加热速率进行升温，于40...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨天斌，席小兵，孟少敏，杨才德，黄友元，
申请(专利权)人：贝特瑞天津纳米材料制造有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12