纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术公开了纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，其包括以下步骤：步骤一、采用纳米壳聚糖球制备空心纳米碳球；步骤二、将空心纳米碳球分散于水中制得悬浮液，将锂盐、磷盐、铁盐溶解于水中制得反应液，将反应液加入悬浮液中，并在氮气保护下进行磷酸铁锂的水热合成，得磷酸铁锂前驱体；步骤三、将磷酸铁锂前驱体进行焙烧处理即得。本发明专利技术通过在空心纳米碳球上原位合成磷酸铁锂，得到了电导率高且振实密度较高的磷酸铁锂正极材料。高的磷酸铁锂正极材料。

【技术实现步骤摘要】
纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法和锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
更具体地说，本专利技术涉及一种纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法和锂离子电池。

技术介绍

[0002]磷酸铁锂电池的正极材料为磷酸铁锂，与其他锂电池的正极材料如钴酸锂、锰酸锂等相比，磷酸铁锂材料具有安全性能好、循环性能优异、环境友好、原料成本低等优点，因此，磷酸铁锂电池在众多行业中均有广泛的应用。
[0003]然而，磷酸铁锂材料在具有诸多优点的同时也存在自身缺点：(1)电导率较低，锂离子扩散系数较小，从而严重影响锂电池的电化学性能；(2)振实密度较低，导致电池的能量密度较低；现有技术中为了提高电导率会在磷酸铁锂外表面包覆一层碳，由于碳的振实密度较小，包覆碳后的磷酸铁锂材料的振实密度变得更小，且仅在表面附着一层碳，不能够改善正极材料的内部的导电性，进而导致正极材料的整体电导率改善较差；如何在提高磷酸铁锂电导率的同时保证振实密度是磷酸铁锂电池技术的主要研究方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
[0005]本专利技术还有一个目的是提供一种纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，其在制备过程中引入具有良好基础形貌的空心纳米碳球，空心纳米碳球作为碳源增加了磷酸铁锂的导电性，与此同时在空心纳米碳球的空腔内原位合成纳米磷酸铁锂，能够很好的控制纳米磷酸铁锂正极材料的粒径和形貌，得到粒径均匀的球形纳米磷酸铁锂颗粒，进而提高了纳米磷酸铁锂正极材料的振实密度；本专利技术能够在保证纳米磷酸铁锂正极材料的电导率的基础上，提高了磷酸铁锂正极材料的振实密度。
[0006]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种磷酸铁锂正极材料的制备方法，其包括以下步骤：
[0007]步骤一、将纳米壳聚糖球置于反应釜中，将反应釜中的气体置换为氮气，将反应釜升温至130℃，恒温30min后，加热至240℃，恒温30min，然后继续升温至550℃，恒温 30min后将反应釜内通入空气，恒温保持1.5h后，将反应釜中的气体置换为氮气自然冷却室温后取出纳米壳聚糖球，然后纳米壳聚糖球浸泡于氢氟酸水溶液中，室温下搅拌12h后取出纳米壳聚糖球，然后用氢氧化钠水溶液、水依次洗涤纳米壳聚糖球3次，得空心纳米碳球；
[0008]步骤二、将空心纳米碳球分散于水中，超声震荡为悬浮液，将悬浮液置于高压釜内，将高压釜内空气置换为氮气；将锂盐、磷盐、铁盐溶解于水中，均匀混合调pH至7.5得反应液，将反应液加入至高压釜内，继续通入氮气至高压釜内压力为3MPa，高压釜内搅拌转速调至600rpm，温度调至120℃，搅拌下恒温反应2h后过滤得磷酸铁锂前驱体；其中，锂盐、磷盐和铁盐的摩尔比为2:1.5:1；悬浮液中空心纳米碳球的质量浓度为8mg/mL；悬浮液与混合液的体积比为10:1；
[0009]步骤三、将磷酸铁锂前驱体置于管式炉中，在氮气环境下于600℃焙烧处理6h，从管式炉中取出即得纳米磷酸铁锂正极材料。
[0010]优选的是，所述的纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，所述纳米壳聚糖球的制备方法为：
[0011]步骤S1、将三乙醇胺与十六烷基三甲基对甲基苯磺酸铵混合形成A溶液；
[0012]步骤S2、将溶液A升温至80℃，恒温搅拌1h后向溶液A中加入四乙氧基硅烷，于 80℃下恒温搅拌反应2h后离心收集第一沉淀物；其中，溶液A中三乙醇胺、十六烷基三甲基对甲基苯磺酸铵与四乙氧基硅烷比值为1g:5g:8mL；
[0013]步骤S3、将净化后的第一沉淀物均匀的分散于乙醇溶液中，得溶液B，向溶液B中加入浓度为37％的浓盐酸，进行超声处理2h后于70℃下恒温搅拌24h，过滤得第二沉淀物；其中，溶液B中第一沉淀物的质量浓度为10mg/mL；浓盐酸的体积与溶液B的体积比为1:8；
[0014]步骤S4、将第二沉淀物重复进行步骤S3的操作2次，最终得到第三沉淀物；
[0015]步骤S5、将净化后的第三沉淀物分散于甲苯溶液中并进行超声处理30min，得溶液C，向溶液C中加入氨丙基三乙氧基硅烷，于80℃下搅拌12h后离心过滤收集第四沉淀物；其中，溶液C中第三沉淀物的质量浓度为12mg/mL，氨丙基三乙氧基硅烷与甲苯的体积比为1:200；
[0016]步骤S6、将净化后的第四沉淀物分散于体积比为2:1的乙醇和水的混合液中，得溶液 D；搅拌下将壳聚糖水溶液加入至溶液D中，搅拌10min后，搅拌下向溶液D中依次加入乳化剂和固化剂，于30℃下继续搅拌18h后离心过滤收集第五沉淀物，第五沉淀物经净化后即得所述纳米壳聚糖球；其中，溶液D中第四沉淀物的质量浓度为3mg/mL。
[0017]优选的是，所述的纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，步骤一中纳米壳聚糖球的直径为800nm。
[0018]优选的是，所述的纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，步骤一中每次升温的升温速率为3℃/min。
[0019]优选的是，所述的纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，步骤二中锂盐为氢氧化锂，磷盐为磷酸二氢钠，铁盐为氯化铁。
[0020]优选的是，所述的纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，乳化剂为Span
‑
80，固化剂为体积分数为4％的戊二醛水溶液，溶液D中乳化剂、固化剂、第四沉淀物的加入量比值为 1mL:5mL:1mg。
[0021]优选的是，所述的纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，第一沉淀物、第三沉淀物和第四沉淀物的净化均为：依次用水和乙醇洗涤3次，然后置于80℃的烘箱中烘干30min。
[0022]本专利技术还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池的正极上述所述的纳米磷酸铁锂正极材料。
[0023]本专利技术至少包括以下有益效果：
[0024]本专利技术采用水热合成法制备磷酸铁锂，通过适当提高压力降低合成温度进而达到降低能耗的效果，在磷酸铁锂合成体系中引入了空心纳米碳球，空心纳米碳球作为磷酸铁锂合成的基体，磷、铁、锂通过空心纳米碳球表面的孔洞进入空心纳米碳球的空腔内，并在空心纳米碳球的空腔内形成磷酸铁锂，能够很好的控制磷酸铁锂的粒径大小，还可避免磷酸铁锂间的团聚，最终得到粒径均匀、形貌良好的球形纳米磷酸铁锂，空心纳米碳球可作为
碳源提供磷酸铁锂正极材料的电导率，因空心纳米碳球的良好的球形形貌，能够很好的控制磷酸铁锂正极材料的球形形貌，进而提高磷酸铁锂正极材料的振实密度，相较于现有技术在磷酸铁锂的外表面包覆碳，本专利技术在碳球上原位合成磷酸铁锂，具有能够控制纳米颗粒形貌结构的优势，进而解决了现有技术中通过碳包覆提高磷酸铁锂电导率的同时导致振实密度降低的技术缺陷，进而达到提高锂电池整体电化学性能的有益效果。
[0025]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
[0026]下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一、将纳米壳聚糖球置于反应釜中，将反应釜中的气体置换为氮气，将反应釜升温至130℃，恒温30min后，加热至240℃，恒温30min，然后继续升温至550℃，恒温30min后将反应釜内通入空气，恒温保持1.5h后，将反应釜中的气体置换为氮气自然冷却室温后取出纳米壳聚糖球，然后纳米壳聚糖球浸泡于氢氟酸水溶液中，室温下搅拌12h后取出纳米壳聚糖球，然后用氢氧化钠水溶液、水依次洗涤纳米壳聚糖球3次，得空心纳米碳球；步骤二、将空心纳米碳球分散于水中，超声震荡为悬浮液，将悬浮液置于高压釜内，将高压釜内空气置换为氮气；将锂盐、磷盐、铁盐溶解于水中，均匀混合调pH至7.5得反应液，将反应液加入至高压釜内，继续通入氮气至高压釜内压力为3MPa，高压釜内搅拌转速调至600rpm，温度调至120℃，搅拌下恒温反应2h后过滤得磷酸铁锂前驱体；其中，锂盐、磷盐和铁盐的摩尔比为2:1.5:1；悬浮液中空心纳米碳球的质量浓度为8mg/mL；悬浮液与混合液的体积比为10:1；步骤三、将磷酸铁锂前驱体置于管式炉中，在氮气环境下于600℃焙烧处理6h，从管式炉中取出即得纳米磷酸铁锂正极材料。2.如权利要求1所述的纳米磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述纳米壳聚糖球的制备方法为：步骤S1、将三乙醇胺与十六烷基三甲基对甲基苯磺酸铵混合形成A溶液；步骤S2、将溶液A升温至80℃，恒温搅拌1h后向溶液A中加入四乙氧基硅烷，于80℃下恒温搅拌反应2h后离心收集第一沉淀物；其中，溶液A中三乙醇胺、十六烷基三甲基对甲基苯磺酸铵与四乙氧基硅烷比值为1g:5g:8mL；步骤S3、将净化后的第一沉淀物均匀的分散于乙醇溶液中，得溶液B，向溶液B中加入浓度为37％的浓盐酸，进行超声处理2h后于70℃下恒温搅拌24h，过滤得第二沉淀物；其中，溶液B中第...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈阳，刘乐明，谢海龙，贺彩香，
申请(专利权)人：江苏涛立电子新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：