一种铁磷酸盐微晶玻璃电极材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铁磷酸盐微晶玻璃电极材料的制备方法和应用，属于锂离子电池的正极材料制备领域。上述方法包括：步骤1：将FePO4·

【技术实现步骤摘要】
一种铁磷酸盐微晶玻璃电极材料的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池电极材料的制备领域，特别是指一种铁磷酸盐微晶玻璃电极材料的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着当前不可再生能源的枯竭，锂离子电池因其便携、可逆充放电和清洁性能被广泛应用在电子器件、混合动力电车和能源电网领域。随着社会经济的发展，对锂离子电池的安全稳定、能量密度和循环寿命提出了更高的要求。首先是原材料的供应，特别是锂离子电池涉及的金属锂、铁和钴的地壳的存储量价低，近年来价格波动大。为了解决这些问题，设计具有高电化学反应动力和长循环寿命的新电极材料成为人们实际工业化生产追求的目标。
[0003]橄榄石结构的磷酸铁FePO4具有较高的锂离子存储容量(178mAh/g)、环境友好和价格低廉特性成为可逆锂离子电池正极材料的候选材料。磷酸铁FePO4的合成方法有固相反应法、水热法、溶胶
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凝胶法和高温
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水淬法等。采用高温
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水淬的方法获得磷酸铁FePO4微晶玻璃，工艺操作简单，易于实现大规模工业化生产。磷酸盐玻璃主要包含P2O5的玻璃材料，P2O5是玻璃网络形成体，能够单独形成玻璃，基本结构单位为[PO4]四面体，四面体之间通过氧离子共顶连接。由于磷的化学价态为+5价，所以，四面体中会存在一个与P
5+
以双键连接的非桥氧，使得[PO4]四面体中的桥氧只能与其他三个[PO4]体共用。单纯的P2O5玻璃的化学稳定性较差，但可以通过掺杂其他氧化物来改善玻璃的结构性能。对于铁磷二元系统玻璃，在退火的条件下Fe2O3‑
P2O5玻璃中Fe2O3的最大摩尔含量为50mol％。玻璃的多孔结构微观结构易于在其作为锂离子电池的电极电化学反应过程中，易于引入锂离子的插入和脱出。
[0004]在本报告中，实验采用FePO4·
2H2O为原料，通过熔体
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水淬
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热处理的方法制备出含FePO4晶相的微晶玻璃。玻璃基体独特的开放网络结构能够缓解磷酸铁FePO4正极材料在电化学循环过程中产生的体积变化，有利于提升锂离子的传输速率和电极的循环稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有电极材料和技术的不足，本专利技术的目的是提供一种铁磷酸盐电极材料的制备方法和应用，本专利技术方法制备的含FePO4晶相的微晶玻璃，工艺操作简单，环境友好，易于实现大规模工业化生产。并且所制备的材料还具有优异的储锂性能，材料内部的玻璃基体的开放网络结构能够缓解磷酸铁FePO4纳米晶材料在电化学循环过程中产生的体积变化，大幅度提升锂离子的传输速率和电极的循环稳定性。
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供的方案如下：
[0007]本专利技术提供一种铁磷酸盐微晶玻璃电极材料，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1：将一定量的FePO4·
2H2O原料在100
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140℃的温度条件下烘干12
‑
24小时后，将其放入氧化铝坩埚中，并置于马弗炉中，以8
‑
10℃/min的升温速率升温至1000
‑
1200℃，并保温1
‑
2小时后使用坩埚钳将其高温取出直接倒入自来水中，快速冷却，得到水淬玻璃，
将得到的水淬玻璃在60
‑
80℃的温度条件下干燥12
‑
24小时，得到母体玻璃。
[0009]步骤2：将一定量的步骤1中的母体玻璃研磨成120
‑
140目的样品，使用HCT
‑
4型综合热分析仪对其进行DTA测试，得到母体玻璃的DTA曲线，然后将母体玻璃以8
‑
10℃/min的升温速率升至其玻璃转变温度热处理1
‑
2小时，然后继续升温至第一析晶峰温度(或高于玻璃第一析晶峰温度20℃)热处理1
‑
2小时，后随炉冷却，得到析晶玻璃。
[0010]步骤3：将一定量的步骤2中的析晶玻璃粉磨至无明显颗粒感，然后将置于研钵中与乙炔黑和PVDF按照(6
‑
8):(3
‑
1):1的质量比混合30
‑
60分钟，后将混合均匀的样品放入带有磁子的微型透明试剂瓶中，加入1
‑
1.5ml的聚乙烯吡咯烷酮或是无水乙醇与水的混合溶液分散剂，在磁力搅拌器上搅拌混合12
‑
18小时，充分混合过后，将其滴在铝箔上，用高度为100
‑
150um刮板器一次均匀的将样品从头刮到尾，使样品均匀的平铺在铝箔上，将刮板后的铝箔在80
‑
100℃的真空条件下干燥12
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14小时，得到电池极片。
[0011]优选的，原料烘干温度为100
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140℃，烘干时间为12
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24小时，优选为140℃，12小时，优选的高温熔融过程以8
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10℃/min的升温速率升温至1000
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1200℃，并保温1
‑
2小时，优选为以10℃/min的升温速率升温至1150℃，并保温1小时，优选的，水淬玻璃干燥温度为60
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80℃，时间为12
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24小时，优选为80℃，12小时，优选的，热处理制度以8
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10℃/min的升温速率升至其玻璃转变温度热处理1
‑
2小时，然后继续升温至第一析晶峰温度(或高于玻璃第一析晶峰温度20℃)热处理1
‑
2小时，优选为以10℃/min的升温速率升至其玻璃转变温度热处理1小时，然后继续升温至第一析晶峰温度(或高于玻璃第一析晶峰温度20℃)热处理1小时。优选的，样品与乙炔黑和PVDF的质量混合比例为(6
‑
8):(3
‑
1):1，在研钵中研磨混合30
‑
60分钟，优选为7：2：1，混合30分钟，优选的，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或是无水乙醇与水的混合溶液，加入量为1
‑
1.5ml左右，搅拌时间为12
‑
18小时，优选为聚乙烯吡咯烷酮，1.25ml，12小时，优选的，刮板器的空隙高度为100
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150um，优选为150um，优选的，真空干燥制度为：干燥温度80
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100℃，干燥时间12
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14小时，优选为80℃，12小时。
[0012]与现有材料和技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0013]本专利技术制备的磷酸盐作为锂离子电池正极材料具有良好的结晶性能，实验发现，FePO4·
2H2O析晶玻璃样品晶相全部为FePO4。经XRF分析，FePO4·
2H2O样品元素主要为Fe2O3和P2O5，与XRD分析中主晶相为FePO4相一致。同时，扫描电镜图像显示出分布均匀的颗粒状晶体。通过本专利技术材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁磷酸盐微晶玻璃电极材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：将一定量的FePO4·
2H2O原料烘干后高温熔融得到熔体，然后经水淬并干燥后得到母体玻璃。步骤2：将一定量的步骤1中的母体玻璃按照其DTA曲线中的玻璃转变温度和玻璃析晶峰温度进行热处理，得到析晶玻璃。所述玻璃转变温度及玻璃析晶温度是DTA曲线中的两个峰值。步骤3：将一定量的步骤2中的析晶玻璃粉磨后与乙炔黑和PVDF混合，并加入分散剂充分混合过后，将其刮板于铝箔上，真空干燥制得极片。2.根据权利要求1所述的铁磷酸盐微晶玻璃电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，FePO4·
2H2O原料烘干后，装于氧化铝坩埚中，放入马弗炉中，以8
‑
10℃/min的升温速率升温至1000
‑
1200℃，并保温1
‑
2小时后使用坩埚钳将其高温取出直接倒入自来水中，快速冷却，得到水淬玻璃。3.根据权利要求1所述的铁磷酸盐微晶玻璃电极材料的制备方法，其特征在于所述步骤2中，DTA测试的实验仪器为北京恒久实验仪器厂生产的HCT
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4型综合热分析仪，根据DTA测试结果，将水淬干燥后的玻璃样品以8
‑
10℃/min的升温速率升至其玻璃转变温度热处理1
‑
2小时，然后继续升温至第一析晶峰温度(或高于玻璃第一析晶峰温度20℃)热处理1
‑
2小时，后随炉冷却，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰杰，李成俊，吕实琛，刘世权，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：