一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球及其制备方法和应用，属于锂电池技术领域，包括如下制备步骤：(1)称取适量的铁源、磷源、锂源、氢氧化镁、PEG

【技术实现步骤摘要】
一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体涉及一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]资源匮乏及节能减排的国际背景下，锂离子电池由于其较高的体积能量密度、质量能量密度以及优异的循环性能，被当今国际上公认为理想的能量储存和输出电源，在各个领域日益显示出重要作用。作为锂离子电池的重要组成部分，锂电池的正极材料的性能直接影响了锂电池的各项性能指标，占据锂离子电池的核心地位。目前，市场上存在的锂离子电池的正极材料有很多种，其中，磷酸铁锂因具有放电容量大、寿命长、价格低廉、无毒性、不造成环境污染、原材料来源广泛、电压平台稳定、安全性能极佳、循环性能优异等优点而成锂离子电池的首选正极材料。
[0003]磷酸铁锂正极材料虽然具有许多优良的性能，但也存在着明显的缺点。通常制备的磷酸铁锂的一次颗粒之间存在巨大的间隙，导致其振实密度较低，进而导致其体积能量密度低；另外，磷酸铁锂正极材料属于橄榄石型晶体结构，这样的结构导致其电子电导率和离子扩散率极低，极大地影响其高倍率下的放电容量。综合以上原因，振实密度低、电子电导率低和离子扩散率低的缺点导致磷酸铁锂正极材料的应用范围受到一定程度的限制。
[0004]目前，人们在解决电子电导率低和离子扩散率低这一领域取得了一系列的进展，现有技术中人们主要采用碳包覆、离子掺杂和颗粒纳米化的手段来提高磷酸铁锂正极材料的电子电导率和离子扩散率，但是碳包覆处理不当会影响材料容量的发挥及倍率性能的提升，碳层太厚会影响材料振实密度；金属粒子掺杂需要控制掺杂的金属离子的成分和含量，掺杂的金属粒子不能破坏材料本身的晶体结构，否则会导致材料容量下降；纳米颗粒粒径太小会降低材料振实密度，不利于提高其体积能量密度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球及其制备方法和应用，解决现有技术中的磷酸铁锂材料振实密度低、电子电导率低和离子扩散率低的问题。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)称取适量的铁源、磷源、锂源、氢氧化镁、PEG
‑
400、碳源A固相混合得到混合物，再将混合物加入含有锆砂的去离子水中进行球磨，球磨完后用筛网将锆砂过滤分离得到浆料；其中，混合物内的铁元素、磷元素、锂元素与镁元素的摩尔比为1:1:1.01:0.01
‑
0.05， PEG
‑
400的质量占混合物的2
‑
5％，碳源的质量占混合物的8
‑
16％。
[0009](2)将步骤(1)所得浆料进行喷雾干燥处理得到黄棕色前驱体粉料；
[0010](3)将步骤(2)所得的黄棕色前驱体粉料置于富含惰性气体的管式炉中进行高温烧结，待管式炉冷却至室温后，收集产物，即为镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球。
[0011]优选的，所述步骤(1)中的铁源为磷酸铁、草酸亚铁、氧化铁、磷酸铁铵、磷酸亚铁中任意的一种，磷源为磷酸铁、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种或多种组合，锂源为碳酸锂、氢氧化锂中的一种或两种组合，所述碳源A为葡萄糖、蔗糖、淀粉中的任意一种或多种组合；
[0012]再优选的，在所述步骤(1)中的铁源和磷源为磷酸铁，所述锂源为碳酸锂，所述碳源 A为葡萄糖。
[0013]优选的，所述步骤(1)中的球磨频率为40
‑
60Hz，时间为20
‑
40min；去离子水与混合物的质量比为1
‑
3:1，锆砂与混合物的质量比为8
‑
16:1。
[0014]再优选的，所述步骤(1)中的球磨频率为50Hz，时间为30min；去离子水与混合物的质量比为1.5:1，锆砂与混合物的质量比为12:1。
[0015]优选的，在所述步骤(2)中喷雾干燥的进料速率为30mL/min，雾化盘的频率为300Hz，进料温度为220℃，出料温度为90
‑
100℃。
[0016]优选的，所述步骤(3)中的烧结温度为700
‑
790℃，烧结时间时间为8
‑
10h，惰性气体流量为0.1mL/s。
[0017]本专利技术第二个目的在于提供一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球，采用上述制备方法制备而成。
[0018]本专利技术第三个目的在于提供一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球应用，所述高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球用于制作锂离子电池正极材料。
[0019]本专利技术的有益效果在于：
[0020]1、通过本专利技术制备方法得到的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合材料的电子电导率和离子扩散率高、倍率性能和循环性能好，振实密度高，能用于生产大容量、中高功率锂离子电池，且电池具有较好的比容量以及较长的寿命；
[0021]2.本专利技术通过精确控制氢氧化镁的加入量，使得镁离子在没有改变晶体结构的前提下，成功掺杂进入磷酸铁锂晶格中，并结合碳包覆综合方法共同改性，提高了磷酸铁锂复合材料的电子电导率和离子扩散率，进而提高了磷酸铁锂复合材料高倍率下的放电容量；
[0022]3、本专利技术通过在原料中加入PEG
‑
400，使其作为形貌控制剂能够协同喷雾造形技术有效调控材料颗粒的球形化度，进而提高材料的振实密度；
[0023]4、本专利技术充分利用了氢氧化镁的阻燃性，通过氢氧化镁受热分解吸收潜热和生成的水汽带走热量从而稳定烧结温度，进而使得锂化过程烧结温度提高至790℃，有利于碳源的热分解并提高石墨化度，进而提高材料的电子电导率和离子扩散率，并且碳源的热分解使得镁掺杂磷酸铁锂产物中的碳含量降低，进一步提高了材料的振实密度；
[0024]5、本专利技术通过PEG
‑
400与碳源在热解过程中的协同作用，有效抑制材料晶粒的生长，从而缩短锂离子的传输距离，提高了磷酸铁锂复合材料电子电导率低和离子扩散率，进而提高了磷酸铁锂复合材料高倍率下的放电容量；
[0025]6、本专利技术的前驱体粉料在烧结过程中会产生水汽和二氧化碳，水汽和二氧化碳脱出时会形成微孔，进而使得制备得到的球状磷酸铁锂产物具有多孔结构，该多孔结构有益于电解液和活性物质充分接触浸润，避免了活性物质因与电解液浸润不充分造成的放电容
量损失的情况发生；
[0026]7、本专利技术制备方法简单、易于操作，不需要特殊苛刻装置，制备条件要求低、成本低，易于规模化生产。
附图说明
[0027]图1为实施例1
‑
3和对比例1得到的样品材料的X射线衍射图；
[0028]图2为实施例1
‑
3和对比例1得到的样品材料的扫描电镜图。
具体实施方式
[0029]下面通过实施例对本专利技术进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)称取适量的铁源、磷源、锂源、氢氧化镁、PEG
‑
400、碳源固相混合得到混合物，再将混合物加入含有锆砂的去离子水中进行球磨，球磨完后用筛网将锆砂过滤分离得到浆料；其中，混合物内的铁元素、磷元素、锂元素与镁元素的摩尔比为1:1:1.01:0.01
‑
0.05，PEG
‑
400的质量占混合物质量的2
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5％，碳源的质量占混合物质量的8
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16％。(2)将步骤(1)所得浆料进行喷雾干燥处理得到黄棕色前驱体粉料；(3)将步骤(2)所得的黄棕色前驱体粉料置于富含惰性气体的管式炉中进行高温烧结，待管式炉冷却至室温后，收集产物，即得到镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球。2.根据权利要求1所述的一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的铁源为磷酸铁、草酸亚铁、氧化铁、磷酸铁铵、磷酸亚铁中任意的一种，磷源为磷酸铁、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种或多种组合，锂源为碳酸锂、氢氧化锂中的一种或两种组合，所述碳源A为葡萄糖、蔗糖、淀粉中的任意一种或多种组合。3.根据权利要求2所述的一种具有高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中的铁源和磷源为磷酸铁，所述锂源为碳酸锂，优选的碳源A为葡萄糖。4.根据权利要求1所述的一种具有高振实密度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：武开鹏，张云，鄢传民，吴昊，王倩，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：