專利名稱：超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲波-微波交替法快速制備納米 級(jí)磷酸鐵鋰的方法。
背景技術(shù)：
自從美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)Goodenough等人報(bào)導(dǎo)LiFePCM的可逆性地遷入脫出 鋰的特性以來(lái)，磷酸鐵鋰正極材料引起了眾多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的鋰離子二次電池正極材料 鈷酸鋰LiCoO2、鎳酸鋰LiNW2和錳酸鋰LiMn2O4相比，橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰Lii^ePO4正極 材料具有穩(wěn)定的工作電壓和較好的循環(huán)壽命，并且其原料豐富、價(jià)格低廉、熱穩(wěn)定性和化學(xué) 穩(wěn)定性好，是極具發(fā)展前景的綠色環(huán)保能源。但是由于純的磷酸鐵鋰自身極低的電子電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，使之只有在低 倍率充放電條件下才有很好的電化學(xué)性能，嚴(yán)重阻礙了磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)展。合成納 米尺寸的磷酸鐵鋰顆?？梢愿纳其囯x子的擴(kuò)散速度，并且有助于削弱極化，減小內(nèi)阻，改善 大電流放電能力，進(jìn)一步提高磷酸鐵鋰正極材料的電化學(xué)性能，所以納米磷酸鐵鋰正極材 料的合成制備受到了更多的關(guān)注。目前納米磷酸鐵鋰的制備方法主要有高溫固相法、溶膠-凝膠法、水熱合成法、共 沉淀法、微波合成法、模板合成法等。高溫固相法工藝簡(jiǎn)單，易于產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)， 但存在所得顆粒尺寸分布廣，顆粒形貌不規(guī)則等缺點(diǎn)。溶膠-凝膠法所得材料顆粒粒徑均 勻、分布窄，設(shè)備簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，不利于產(chǎn)業(yè)化。水熱合成法具有均相單一、過(guò)程簡(jiǎn) 單等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求高，工業(yè)化生產(chǎn)的困難較大。液相共沉淀法合成溫度低，易 于大規(guī)模生產(chǎn)，但是由于各組分的沉淀速度不同，會(huì)導(dǎo)致材料組成的偏離和不均勻。微波合 成法具有加熱時(shí)間短，加熱速度快，熱能利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但是反應(yīng)過(guò)程難控制，工業(yè)化生 產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)。模板合成法可以對(duì)合成材料的大小、形貌、結(jié)構(gòu)和排布等進(jìn)行控制，但是由于 生產(chǎn)成本高，不適合大批量生產(chǎn)。綜上所述，現(xiàn)有方法大多存在工藝復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)、性能一致性差等缺點(diǎn)。因此，需 要開(kāi)發(fā)一種工藝簡(jiǎn)單、耗時(shí)短、可控性強(qiáng)的制備納米磷酸鐵鋰的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有工藝簡(jiǎn)單、耗時(shí)短和可控性強(qiáng)的制備納米級(jí)磷酸鐵 鋰的方法，所得的磷酸鐵鋰顆粒具有納米尺寸，且粒徑均一。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰 的方法，其特殊之處在于，包括以下步驟取鐵鹽、鋰鹽和磷酸鹽以0.96 1 0.96 1 0.96 1的摩爾比混合得到混合物A;A與占總質(zhì)量9% 16%的導(dǎo)電碳源混合并溶 于溶劑得到混合物料；混合物料經(jīng)高能球磨后投入超聲波微波協(xié)同萃取儀設(shè)備腔中，進(jìn)行 超聲波-微波-超聲波多次循環(huán)作用制備納米級(jí)磷酸鐵鋰。作為優(yōu)選所述超聲波頻率為20 35KHz，微波功率為800 1500W。
作為優(yōu)選所述超聲波作用時(shí)間為20 40s，微波作用時(shí)間為10 35s。作為優(yōu)選所述超聲波-微波循環(huán)次數(shù)隨混合配料用量的增大而增加。作為優(yōu)選所述鋰鹽為氫氧化鋰、碳酸鋰、硝酸鋰、硫酸鋰和氯化鋰中的一種或多 種。作為優(yōu)選所述磷酸鹽為磷酸、磷酸氫銨、磷酸二氫銨和磷酸鐵中的一種或多種。作為優(yōu)選所述鐵鹽為磷酸鐵、硝酸鐵、草酸亞鐵和三氧化二鐵中的一種或多種。作為優(yōu)選所述導(dǎo)電碳源為乙炔黑、葡萄糖和蔗糖中的一種或多種。作為優(yōu)選所述溶劑為乙醇或丙酮。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明綜合利用微波熱效應(yīng)強(qiáng)以及超聲波加速化學(xué)反應(yīng)的優(yōu) 點(diǎn)，兩種技術(shù)互相配合使用，可有效縮短合成納米級(jí)磷酸鐵鋰的時(shí)間；此外，本發(fā)明使用超 聲波微波萃取儀，在一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了兩種反應(yīng)作用的結(jié)合，優(yōu)化了反應(yīng)體系，避免因步 驟繁瑣造成污染或二價(jià)鐵的氧化，且整個(gè)過(guò)程實(shí)行自動(dòng)化控制，具有工藝簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)的 特點(diǎn)；所得的磷酸鐵鋰顆粒具有納米尺寸，且粒徑均一。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明下面將結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步詳述實(shí)施例1將碳酸鋰3. 7g、硝酸鐵24. 2g和磷酸二氫銨11. 5g相混合得到混合物A。將混合 物A與蔗糖4. 3g混合并溶于乙醇得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲波 微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為25KHz，微波功率為1000W，以超聲波作用30s、微波 作用20s交替進(jìn)行反應(yīng)，20個(gè)循環(huán)后得到粉體，自然冷卻后用X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè) 為L(zhǎng)iFePO4,平均粒徑約為80nm，且分布均勻。實(shí)施例2 將氫氧化鋰2. 4g和磷酸鐵14. Sg相混合得到混合物A。將混合物A與葡萄糖2. 7g 混合并溶于乙醇得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲波微波萃取機(jī)中反 應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為25KHz，微波功率為1500W，以超聲波作用40s、微波作用IOs交替進(jìn)行 反應(yīng)，25個(gè)循環(huán)后得到粉體，自然冷卻后用X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè)為L(zhǎng)iFePO4,平均粒 徑約為30nm，且分布均勻。實(shí)施例3將硝酸鋰6. 7g、三氧化二鐵8g和磷酸二氫銨11. 2g相混合得到混合物A。將混合 物A與乙炔黑3. 9g混合并溶于丙酮得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲 波微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為30KHz，微波功率為800W，以超聲波作用35s、微波 作用2 交替進(jìn)行反應(yīng)，25個(gè)循環(huán)后得到粉體，自然冷卻后用X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè) 為L(zhǎng)iFePO4,平均粒徑約為50nm，且分布均勻。實(shí)施例4將含硫酸鋰5. 4g、硝酸鐵24g和磷酸二氫銨11. 5g相混合得到混合物A。將混合 物A與乙炔黑4. 5g混合并溶于丙酮得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲 波微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為35KHz，微波功率為1000W，以超聲波作用20s、微 波作用3 交替進(jìn)行反應(yīng)，25個(gè)循環(huán)后得到粉體，自然冷卻后用X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè)為L(zhǎng)iFePO4,平均粒徑約為60nm，且分布均勻。實(shí)施例5將含硝酸鋰6. 7g、三氧化二鐵8g和磷酸二氫銨11. 2g相混合得到混合物A。將混 合物A與乙炔黑3. 6g混合并溶于丙酮得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超 聲波微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為30KHz，微波功率為1200W，以超聲波作用30s、 微波作用20s交替進(jìn)行反應(yīng)，25個(gè)循環(huán)后得到粉體，自然冷卻后用X-射線粉末衍射(XRD) 檢測(cè)為L(zhǎng)iFePO4,平均粒徑約為30nm，且分布均勻。實(shí)施例6將含硫酸鋰27g、硝酸鐵121g和磷酸二氫銨57. 5g相混合得到混合物A。將混合 物A與蔗糖20. 6g混合并溶于丙酮得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲波 微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為30KHz，微波功率為1200W，以超聲波作用35s、微波 作用20s交替進(jìn)行反應(yīng)，40個(gè)循環(huán)后得到粉體，自然冷卻后用X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè) 為L(zhǎng)iFePO4,平均粒徑約為40nm，且分布均勻。實(shí)施例7 將含氯化鋰43. 5g，草酸亞鐵144g和磷酸二氫銨115g相混合得到混合物A。將混 合物A與蔗糖30. Ig混合并溶于丙酮得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲 波微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為30KHz，微波功率為800W，以超聲波作用35s、微波 作用20s交替進(jìn)行反應(yīng)，40個(gè)循環(huán)后得到粉體，自然冷卻后用X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè) 為L(zhǎng)iFePO4,平均粒徑約為lOOnm，且分布均勻。對(duì)比例1將含硫酸鋰5. 2g、硝酸鐵24g和磷酸二氫銨11. 5g相混合得到混合物A。將混合 物A與乙炔黑4. 5g混合并溶于丙酮得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲 波微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定超聲波頻率為25KHz，以超聲波作用25min后得到勻漿，烘干后 用X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè)產(chǎn)物較為不純。對(duì)比例2將含氯化鋰4. 35g，草酸亞鐵14. 4g和磷酸9. 6g相混合得到混合物A。將混合物 A與乙炔黑3. 2g混合并溶于丙酮得到混合物料，混合物料經(jīng)過(guò)高能球磨，然后放入超聲波 微波萃取機(jī)中反應(yīng)，設(shè)定微波功率為1000W，以微波作用25min后得到粉體，自然冷卻后用 X-射線粉末衍射(XRD)檢測(cè)為L(zhǎng)iFePO4,平均粒徑約為25 μ m，且分布較不均一。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與 修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征在于，包括以下 步驟取鐵鹽、鋰鹽和磷酸鹽以0. 96 1 0. 96 1 0. 96 1的摩爾比混合得到混合物A ； A與占總質(zhì)量9% 16%的導(dǎo)電碳源混合并溶于溶劑得到混合物料；混合物料經(jīng)高能球磨后 投入超聲波微波協(xié)同萃取儀設(shè)備腔中，進(jìn)行超聲波-微波-超聲波多次循環(huán)作用制備納米 級(jí)磷酸鐵鋰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述超聲波頻率為20 35KHz，微波功率為800 1500W。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述超聲波作用時(shí)間為20 40s，微波作用時(shí)間為10 35s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述超聲波-微波循環(huán)次數(shù)隨混合配料用量的增大而增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述鋰鹽為氫氧化鋰、碳酸鋰、硝酸鋰、硫酸鋰和氯化鋰中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述磷酸鹽為磷酸、磷酸氫銨、磷酸二氫銨和磷酸鐵中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述鐵鹽為磷酸鐵、硝酸鐵、草酸亞鐵和三氧化二鐵中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述導(dǎo)電碳源為乙炔黑、葡萄糖和蔗糖中的一種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，其特征 在于所述溶劑為乙醇或丙酮。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波-微波交替法快速制備納米級(jí)磷酸鐵鋰的方法，該方法取一定摩爾比的鐵鹽、鋰鹽和磷酸鹽混合得到混合物A，將A與導(dǎo)電碳源混合并溶于溶劑得到混合物料，將混合物料高能球磨后投入超聲波微波協(xié)同萃取儀設(shè)備腔中，進(jìn)行超聲波-微波-超聲波多次循環(huán)作用制備得到納米級(jí)磷酸鐵鋰粉體材料。本發(fā)明制備的磷酸鐵鋰粉體的方法工藝簡(jiǎn)單、耗時(shí)短和可控性強(qiáng)，所得的磷酸鐵鋰顆粒具有納米尺寸，且粒徑均一。
文檔編號(hào)C01B25/45GK102115068SQ20111008420
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者吳合年, 孫嘉遙, 胡晉 申請(qǐng)人:深圳市三俊電池有限公司