專利名稱：一種高功率磷酸鐵鋰電池材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率磷酸鐵鋰電池材料及其制備方法，特別是制備了一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維納米碳材料摻雜的球型磷酸鐵，并以此制備金屬離子摻雜的、穿插無(wú)機(jī)纖維碳并表面包覆有機(jī)高溫裂解碳的復(fù)合磷酸鐵鋰電池材料，屬于新能源汽車用動(dòng)力鋰離子電池和儲(chǔ)能鋰離子電池正極材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
使用磷酸鐵鋰材料制造的鋰離子電池具有安全、長(zhǎng)壽命、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在電動(dòng)汽 車、儲(chǔ)能電站、通信基站等領(lǐng)域有相當(dāng)規(guī)模的示范或應(yīng)用，所以磷酸鐵鋰電池材料被業(yè)界認(rèn)為是最具市場(chǎng)潛力的電池材料之一。但沒有經(jīng)過修飾改性的純相磷酸鐵鋰存在很大問題而不能使用，最突出的問題是1)電子電導(dǎo)率低，只有KTki 10_9S/cm，遠(yuǎn)低于鈷酸鋰和錳酸鋰的10_4 10_3S/cm;2)鋰離子擴(kuò)散速率低，為一維隧道式傳導(dǎo)，僅為10_14cm2/s左右。這使得純相磷酸鐵鋰比容量低、倍率差、循環(huán)差。大量研究表明，通過金屬離子摻雜和碳包覆，可以大大改善磷酸鐵鋰的離子擴(kuò)散速率和電子電導(dǎo)率。經(jīng)改性的磷酸鐵鋰放電比容量可以提高到140 150mAh/g，循環(huán)壽命也得到大大提高，2000循環(huán)容量保持率超過90%,可以滿足低倍率小電流放電，比如純電動(dòng)汽車電池(放電倍率要求0. 2 1C)、儲(chǔ)能電站電池(充電倍率小于0. 5C，放電倍率0. 1C)等。但在混合動(dòng)力汽車、汽車啟動(dòng)電源等要求高倍率(如20C或以上倍率)放電時(shí)，上述提高并不明顯，存在放電電壓低、容量低、極化大、功率特性差等問題，造成電池?zé)崃糠e累、電池表面發(fā)熱嚴(yán)重、循環(huán)壽命縮短等問題，這就限制了磷酸鐵鋰材料的使用領(lǐng)域。為此，提高磷酸鐵鋰材料的高功率放電特性，對(duì)拓寬其使用范圍具有重要意義。申請(qǐng)?zhí)枮?01010252166. 4的發(fā)明專利“磷酸鐵鋰-碳纖維復(fù)合陰極材料的制備方法”公開了一種通過熱解有機(jī)碳源原位氣相生長(zhǎng)碳纖維并與磷酸鐵鋰同時(shí)生成的方法，在300-900度下反應(yīng)室中通入炭源氣體裂解后包覆于磷酸鐵鋰表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。申請(qǐng)?zhí)枮?00810124253. 4的發(fā)明專利公開了一種高功率型磷酸鐵鋰復(fù)合材料的制備方法，首先制備含鋰的內(nèi)嵌碳納米管的氫氧化鐵懸濁溶液，然后加入磷酸鹽溶液得到前驅(qū)體，在通Sn2-H2混合氣熱還原和燒結(jié)處理得到內(nèi)嵌碳納米管的磷酸鐵鋰復(fù)合材料。上述方法均是通過一定的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)碳纖維或碳納米管在磷酸鐵鋰材料中的均勻分散，達(dá)到提高磷酸鐵鋰的導(dǎo)電性或倍率特性。雖然可以一定程度上解決碳纖維或碳納米管的分散，并得到高倍率放電較好的材料，但僅能部分提高高功率特性。如申請(qǐng)?zhí)枮?01010252166. 4的發(fā)明專利，雖然是解決了碳纖維的分散問題，但僅僅是在表面的包覆，很難形成在磷酸鐵鋰材料內(nèi)部分散，同時(shí)也并未進(jìn)行金屬摻雜，所以材料體相內(nèi)部的電子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散速率沒有提高太多；申請(qǐng)?zhí)枮?00810124253. 4的發(fā)明專利僅靠碳納米管的導(dǎo)電作用提高材料的電導(dǎo)率，并未考慮顆粒間電子電導(dǎo)率和材料體相內(nèi)部的離子傳導(dǎo)速率，電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行需要電子和離子同時(shí)到達(dá)才能進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足而提供一種具有特殊結(jié)構(gòu)的高功率型磷酸鐵鋰復(fù)合電池材料及其制備方法，本發(fā)明方法制得的磷酸鐵鋰表面包覆有有機(jī)碳源裂解形成的無(wú)定形碳，同時(shí)還穿插有纖維狀無(wú)機(jī)碳并摻雜金屬離子，通過三方面的協(xié)同效應(yīng)，大大提高了材料的顆粒表面和內(nèi)部電導(dǎo)率，具有較高的高功率放電特性，工藝簡(jiǎn)單，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到一 種高功率磷酸鐵鋰電池材料，其特征在于材料的結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)ihMxFePOycyc2，其中x=0. 02 0. 08，C1為穿插在磷酸鐵鋰材料中的一維納米碳材料，C2為包覆在材料表面的有機(jī)物裂解碳，M為摻雜金屬元素。一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于其包括如下步驟
第一步，以可溶性鐵鹽和磷酸鹽為原料，按照摩爾比Fe:P=O. 96 I. 04的比例稱取可溶性鐵鹽和磷酸鹽，將一維納米碳材料在無(wú)水乙醇中超聲分散均勻后，加入含鐵離子濃度為0. 8 2. 5mol/L的可溶性鐵鹽溶液中，并強(qiáng)力攪拌形成混合溶液，然后逐漸加入含P043_濃度為0. 8 2. 5mol/L的磷酸鹽溶液，并控制pH值在2 3之間，根據(jù)鐵源的價(jià)態(tài)加入可以全部氧化二價(jià)鐵的強(qiáng)氧化劑H2O2,生成裹雜有一維納米碳材料的磷酸鐵，經(jīng)過過濾、洗滌、干燥，得到具有特殊結(jié)構(gòu)的一維納米碳材料摻雜的球型磷酸鐵；
第二步，對(duì)第一步制備的含結(jié)晶水的球型磷酸鐵在以2 8°C /min的升溫速度從室溫升到550 650°C進(jìn)行熱處理，保溫2 10h，除掉結(jié)晶水；
第三步，采用第二步得到的磷酸鐵，并以鋰源、有機(jī)碳源和摻雜金屬元素M的化合物為原料，按照摩爾比Fe (Li+M) =1:1稱取，有機(jī)碳源加入量為原料總重量的15 20%，以酒精為分散劑，上述原料經(jīng)研磨混合均勻、干燥處理除掉分散劑得到前驅(qū)體粉末，在高純氮?dú)鈿夥障乱? 8°C /min的升溫速度從室溫升到700 800°C進(jìn)行高溫焙燒，保溫5 20h，自然降溫到室溫，經(jīng)粉碎、分級(jí)，得到磷酸鐵鋰電池材料。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的可溶性鐵鹽為硫酸亞鐵、硝酸鐵、氯化鐵中的一種。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的磷酸鹽為磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、磷酸銨中的一種。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的一維納米碳材料的直徑為納米級(jí)，長(zhǎng)度為微米級(jí),為多壁碳納米管(CNTs)、氣相生長(zhǎng)碳纖維(VGCF)中的一種，其加入量為生成的磷酸鐵鋰重量的I 3%。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的摻雜金屬元素M的化合物可以為MgO、Mg (OH) 2、TiO2、Y2O3、Nb2O5、草酸鈮、V2O5、Cr2O3、MoO3、鑰酸銨中的一種。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的鋰源為碳酸鋰、氫氧化鋰中的一種。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的有機(jī)碳源為葡萄糖、蔗糖、淀粉、麥芽糖、酚醛樹脂中的一種。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的第三步中的粉碎采用氣流粉碎或機(jī)械式粉碎，產(chǎn)品粒度呈正態(tài)分布，平均粒徑為0. 5 5微米。本發(fā)明同已有技術(shù)相比可產(chǎn)生如下積極效果本發(fā)明針對(duì)上述磷酸鐵鋰存在的結(jié) 構(gòu)性問題而造成高倍率性能差的突出問題，給出了磷酸鐵鋰?yán)硐氲母男曰蛱岣叻桨讣纫岣卟牧项w粒間的電子電導(dǎo)率，又要提高材料內(nèi)部的電導(dǎo)率，使得電子及時(shí)導(dǎo)入導(dǎo)出材料 體相并傳導(dǎo)到集流體，同時(shí)提高材料內(nèi)部鋰離子擴(kuò)散速率，還要減小材料一次顆粒粒徑，縮短鋰離子在材料內(nèi)部的擴(kuò)散時(shí)間。通過四方面的協(xié)同作用可以大大提高鋰離子和電子的傳導(dǎo)，降低擴(kuò)散引起的極化，從而達(dá)到提高快速充放電的高功率特性。一維納米碳材料具有特殊結(jié)構(gòu)可以用于提高材料電子電導(dǎo)率。一維納米碳材料如多壁碳納米管(CNTs)、氣相生長(zhǎng)碳纖維(VGCF)有著好的導(dǎo)電性，大的長(zhǎng)徑比、比表面積和有利于鋰離子遷入遷出的介孔結(jié)構(gòu)，可以提高復(fù)合電極的導(dǎo)電性，可用于導(dǎo)出材料體相中的電子，提高材料電子電導(dǎo)率。同時(shí)還可以提高活性物質(zhì)之間及其與集流體之間的粘結(jié)牢固性，從而可減少粘接劑使用量。本發(fā)明首先通過控制結(jié)晶的方法，制備具有特殊結(jié)構(gòu)的一維納米碳材料摻雜的球型磷酸鐵，其結(jié)構(gòu)表述為FePO4 XH2CVC1，其中C1為一維納米碳材料，其特殊之處在于一維納米碳材料穿插于球型磷酸鐵之中，使后續(xù)制備磷酸鐵鋰也具有穿插一維納米碳材料的類球形結(jié)構(gòu)。然后對(duì)制備的含結(jié)晶水的FePO4 XH2CVC1進(jìn)行熱處理，除掉結(jié)晶水，以此為原料，配入鋰源、有機(jī)碳源和摻雜金屬元素M的化合物為原料，以酒精為分散劑，經(jīng)研磨混合均勻、干燥處理除掉分散劑得到前驅(qū)體粉末，在高純氮?dú)?中高溫焙燒，經(jīng)后處理得到具有特殊結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰電池材料，結(jié)構(gòu)表述為L(zhǎng)ihMxFePO4Zt1Zt2，其中x=0. 02 0. 08，C1為穿插在材料中的一維納米碳材料，C2為有機(jī)物裂解碳。在惰性氣氛下高溫焙燒的過程中有機(jī)碳源裂解為碳，將Fe3+全部還原為Fe2+，同時(shí)殘留的裂解碳C2形成磷酸鐵鋰的表面包覆，對(duì)顆粒間的導(dǎo)電性能起到了很好的提高作用；穿插在材料中的一維納米碳材料C1起到了提高磷酸鐵鋰材料內(nèi)部的電子傳導(dǎo)作用，使得充放電過程中電子在材料體相中既通過橄欖石結(jié)構(gòu)的Fe-O-Fe傳導(dǎo),又通過一維納米碳材料快速傳遞出材料體相；同時(shí)C1和C2形成的穿插和包覆，起到了減小磷酸鐵鋰顆粒大小的作用，縮短了鋰離子在材料中的擴(kuò)散距離；摻雜金屬元素M在鋰位形成離子摻雜，大大提高鋰離子擴(kuò)散速率。通過上述三方面的協(xié)同效應(yīng)，大大提高了材料的顆粒表面和內(nèi)部電導(dǎo)率以及離子傳導(dǎo)速率，電子電導(dǎo)率可以達(dá)到10_2S/Cm以上，高于鈷酸鋰和錳酸鋰的10_3S/cm和10_4S/cm，具有較高的高功率放電特性。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I制備的高功率磷酸鐵鋰Lia98Tiaci2FePO4ZtNTsA:的X射線衍射圖譜。圖2是本發(fā)明實(shí)施例I制備的高功率磷酸鐵鋰Lia98Tiaci2FePCVCmVC的激光粒度分析儀測(cè)試的粒度分布圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例I制備的高功率磷酸鐵鋰Lia98Tiaci2FePO4ZtNTsA:的扣式電池分別以0. 2C、0. 5C、1C、5C、10C、20C的倍率放電曲線，電壓范圍2. 5 4. IV(vs. Li)，IC按照150mAh/g計(jì)算。圖4是實(shí)施例I的產(chǎn)品做出的軟包電池IOC倍率充放電循環(huán)曲線，電壓范圍2. 0 3. 65V。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明。實(shí)施例I :
I、稱取31. 8g多壁碳納米管(CNTs)加入IOOmL無(wú)水乙醇中,在超聲環(huán)境中分散30min,分別稱取2. 780kg的FeSO4 7H20和I. 196kg的NH4H2PO4,分別加入純水配成0. 8mol/L的溶液，將上述分散好的CNTs分散液加入硫酸亞鐵溶液中，在50°C水浴條件下800r/min攪拌，然后逐漸加入NH4H2PO4溶液，反應(yīng)一段時(shí)間后，加入700mLH202，立即有大量白色沉淀生成，用NH3 H2O調(diào)節(jié)pH值到2，繼續(xù)反應(yīng)a時(shí)間，陳化IOh后反復(fù)過濾、洗滌，直到檢測(cè)沒有S042_存在為止，80°C干燥后得到含結(jié)晶水的FePO4 xH20/CNTs。2、對(duì)第一步得到的FePO4 *xH20/CNTs以2°C /min的升溫速度從室溫升到550°C進(jìn)行熱處理，保溫2h，除掉結(jié)晶水，得到不含結(jié)晶水的FeP04/CNTs ；
3、采用第二步得到的 FeP04/CNTs，同時(shí)稱取 0. 362kgLi2C03、16. OOgTiO2,397. 50g 葡萄糖，加入到6L的無(wú)水乙醇中，在高能研磨機(jī)中分散攪拌4h，經(jīng)減壓干燥處理除掉乙醇得到前驅(qū)體粉末。此粉末在高純氮?dú)鈿夥障乱?V /min的升溫速度從室溫升到700°C進(jìn)行高溫焙燒，保溫5h，自然降溫到室溫，經(jīng)氣流粉碎機(jī)粉碎分級(jí)，得到0. 5 5 y m的磷酸鐵鋰電池材料，其結(jié)構(gòu)表達(dá)為 Li。.98Ti0.02FeP04/CNTs/Co本實(shí)施例得到的產(chǎn)品XRD如圖I所示，可以看出，合成了橄欖石型結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰材料。碳硫分析儀測(cè)試材料含碳量為4. 25%，比表面積在SA3100型比表面積分析儀上測(cè)試為22. 8m2/g，用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)試材料粒度分布如圖2所示，粒度分布窄，呈正態(tài) 分布，D50為2. 81 ii m。粉末電阻率測(cè)試儀測(cè)試材料相對(duì)電阻率為22. 5 Q cm，相對(duì)電導(dǎo)率達(dá)至Ij 4. 44Xl(T2S/cm。以本發(fā)明的磷酸鐵鋰粉末材料為正極活性物質(zhì)，以鋰片為負(fù)極，組裝成R2025型扣式電池進(jìn)行測(cè)試材料電性能。正極組成為80%活性物質(zhì)、10%SuperP導(dǎo)電炭，10%PVDF,電解液為lmol/L的LiPF6(EC+DMC)，在手套箱中組裝成扣式電池，電池測(cè)試溫度為25度恒溫。
0.2C放電比容量為154. lmAh/g，20C放電比容量為95. 41mAh/g, 20C/0. 2C=62. 0%。以本發(fā)明的磷酸鐵鋰粉末材料為正極活性物質(zhì)做成的076090R型號(hào)軟包電池，標(biāo)稱容量為2400mAh，倍率性能測(cè)試為10C/0. 2C為93%，IOC充放電循環(huán)2000次容量保持率達(dá)到86%，具有優(yōu)異的高倍率放電循環(huán)性能。實(shí)施例2
I、稱取24. 15g氣相生長(zhǎng)碳纖維(VGCF)加入IOOmL無(wú)水乙醇中,在超聲環(huán)境中分散Ih,分別稱取 4. 038kg 的 Fe (NO3) 3 *9H20 和 I. 320kg 的(NH4) 2HP04,分別加入純水配成 I. 5mol/L的溶液，將上述分散好的VGCF分散液加入硝酸鐵溶液中，在55°C水浴條件下1000r/min攪拌，然后逐漸加入(NH4)2HPO4溶液，并加入IOOmLH2O2，立即有大量白色沉淀生成，用NH3 -H2O調(diào)節(jié)PH值到3，繼續(xù)反應(yīng)2h時(shí)間，陳化5h后反復(fù)過濾、洗滌，75°C干燥后得到含結(jié)晶水的FePO4 xH20/VGCF。2、對(duì)第一步得到的FePO4 xH20/ VGCF以8°C /min的升溫速度從室溫升到600°C進(jìn)行熱處理，保溫10h，除掉結(jié)晶水，得到不含結(jié)晶水的FeP04/VGCF ；
3、采用第二步得到的 FeP04/VGCF，同時(shí)稱取 0. 399kgLi0H H20、56. 45gY203、288. 40g 蔗糖，加入到4. 8L的無(wú)水乙醇中，在高能研磨機(jī)中分散攪拌3. 5h，經(jīng)減壓干燥處理除掉乙醇得到前驅(qū)體粉末。此粉末在高純氮?dú)鈿夥障乱?V Mn的升溫速度從室溫升到750°C進(jìn)行高溫焙燒，保溫20h，自然降溫到室溫，經(jīng)氣流粉碎機(jī)粉碎分級(jí)，得到0. 5 5pm的磷酸鐵鋰電池材料，其結(jié)構(gòu)表達(dá)為L(zhǎng)iQ.95Ya(l5FeP04/VGCF/C。本實(shí)施例得到的產(chǎn)品經(jīng)碳硫分析儀測(cè)試材料含碳量為3. 82%，比表面積在SA3100型比表面積分析儀上測(cè)試為15. 8m2/g，用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)試材料粒度分布窄，呈正態(tài)分布，D50為3. 69 ii m。粉末電阻率測(cè)試儀測(cè)試材料相對(duì)電阻率為31. 2 Q cm,相對(duì)電導(dǎo)率達(dá)到3. 20Xl(T2S/cm。0. 2C放電比容量為153. 4mAh/g，20C放電比容量為88. 97mAh/g,20C/0. 2C=58. 0%。
實(shí)施例3
I、稱取32. 07g碳納米管(CNTs)加入IOOmL無(wú)水乙醇中，在超聲環(huán)境中分散lh，分別稱取I. 622kg的氯化鐵和I. 430kg的(NH4)3PO4,分別加入純水配成2. 5mol/L的溶液，將上述分散好的CNTs分散液加入氯化鐵溶液中，在55°C水浴條件下800r/min攪拌，然后逐漸加入(NH4) 3P04溶液，并加入20mLH202，立即有大量白色沉淀生成，用NH3 -H2O調(diào)節(jié)pH值到2. 5，繼續(xù)反應(yīng)2h時(shí)間，陳化5h后反復(fù)過濾、洗滌，75°C干燥后得到含結(jié)晶水的FePO4 xH20/CNTso2、對(duì)第一步得到的FePO4 *xH20/CNTs以5°C /min的升溫速度從室溫升到650°C進(jìn)行熱處理，保溫5h，除掉結(jié)晶水，得到不含結(jié)晶水的FeP04/CNTs ；
3、采用第二步得到的 FeP04/CNTs，同時(shí)稱取 0. 340kgLi2C03> 106. 32gNb205、397. 50g 蔗糖，加入到5L的無(wú)水乙醇中，在高能研磨機(jī)中分散攪拌3. 5h，經(jīng)減壓干燥處理除掉乙醇得到前驅(qū)體粉末。此粉末在高純氮?dú)鈿夥障乱?°C /min的升溫速度從室溫升到800°C進(jìn)行高溫焙燒，保溫13h，自然降溫到室溫，經(jīng)氣流粉碎機(jī)粉碎分級(jí)，得到0. 5 5pm的磷酸鐵鋰電池材料，其結(jié)構(gòu)表達(dá)為L(zhǎng)ic^Nbc^FePCVCNTs/C。本實(shí)施例得到的產(chǎn)品經(jīng)碳硫分析儀測(cè)試材料含碳量為4. 22%，比表面積在SA3100型比表面積分析儀上測(cè)試為19. 6m2/g，用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)試材料粒度分布窄，呈正態(tài)分布，D50為3. 50 ii m。粉末電阻率測(cè)試儀測(cè)試材料相對(duì)電阻率為21. 7 Q cm,相對(duì)電導(dǎo)率達(dá)到4. 61Xl(T2S/cm。0. 2C放電比容量為158. 21mAh/g，20C放電比容量為104. ImAh/g, 20C/0. 2C=65. 8%o表I是實(shí)施例I 3制備的材料結(jié)構(gòu)及C%、相對(duì)電導(dǎo)率以及倍率性能比較數(shù)據(jù)。表I
實(shí)施例I結(jié)構(gòu)組成|C% I相對(duì)電導(dǎo)率(S/cm) I扣式電池倍率放電性能20C/0.2C
實(shí)施停[I Li0 98Ti0.02FePQ4/CNTs/C' 4. 25% 4 44X ICT262. 0%
實(shí)施停G Lia95YtxO5FePO4ZVGCFA^~3.82% 3720X 10-258. 0% 實(shí)施例 3|Li。. Si2Nba o8FeP04/CNTs/C|4. 22% 丨4. 61 X ICT2丨65. 8%
以上的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高功率磷酸鐵鋰電池材料，其特征在于材料的結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)iHMxFePOycyc2，其中x=0. 02 0. 08，C1為穿插在磷酸鐵鋰材料中的一維納米碳材料，C2為包覆在材料表面的有機(jī)物裂解碳，M為摻雜金屬元素。
2.權(quán)利要求I所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于其包括如下步驟 第一步，以可溶性鐵鹽和磷酸鹽為原料，按照摩爾比Fe:P=O. 96 I. 04的比例稱取可溶性鐵鹽和磷酸鹽，將一維納米碳材料在無(wú)水乙醇中超聲分散均勻后，加入含鐵離子濃度為0. 8 2. 5mol/L的可溶性鐵鹽溶液中，并強(qiáng)力攪拌形成混合溶液，然后逐漸加入含P043_濃度為0. 8 2. 5mol/L的磷酸鹽溶液，并控制pH值在2 3之間，根據(jù)鐵源的價(jià)態(tài)加入可以全部氧化二價(jià)鐵的強(qiáng)氧化劑H2O2,生成裹雜有一維納米碳材料的磷酸鐵，經(jīng)過過濾、洗滌、干燥，得到具有特殊結(jié)構(gòu)的一維納米碳材料摻雜的球型磷酸鐵； 第二步，對(duì)第一步制備的含結(jié)晶水的球型磷酸鐵在以2 8°C /min的升溫速度從室溫升到550 650°C進(jìn)行熱處理，保溫2 10h，除掉結(jié)晶水； 第三步，采用第二步得到的磷酸鐵，并以鋰源、有機(jī)碳源和摻雜金屬元素M的化合物為原料，按照摩爾比Fe (Li+M) =1:1稱取，有機(jī)碳源加入量為原料總重量的15 20%，以酒精為分散劑，上述原料經(jīng)研磨混合均勻、干燥處理除掉分散劑得到前驅(qū)體粉末，在高純氮?dú)鈿夥障乱? 8°C /min的升溫速度從室溫升到700 800°C進(jìn)行高溫焙燒，保溫5 20h，自然降溫到室溫，經(jīng)粉碎、分級(jí)，得到磷酸鐵鋰電池材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于所述的可溶性鐵鹽為硫酸亞鐵、硝酸鐵、氯化鐵中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于所述的磷酸鹽為磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、磷酸銨中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于所述的一維納米碳材料的直徑為納米級(jí)，長(zhǎng)度為微米級(jí)，為多壁碳納米管(CNTs )、氣相生長(zhǎng)碳纖維(VGCF)中的一種，其加入量為生成的磷酸鐵鋰重量的I 3%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于所述的摻雜金屬元素M的化合物可以為MgO、Mg(OH)2、TiO2、Y2O3、Nb2O5、草酸鈮、V205、Cr2O3、Mo03、鑰酸銨中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于所述的鋰源為碳酸鋰、氫氧化鋰中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)碳源為葡萄糖、蔗糖、淀粉、麥芽糖、酚醛樹脂中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于所述的第三步中的粉碎采用氣流粉碎或機(jī)械式粉碎，產(chǎn)品粒度呈正態(tài)分布，平均粒徑為0. 5 5微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高功率磷酸鐵鋰電池材料及其制備方法，材料的結(jié)構(gòu)可以表述為L(zhǎng)i1-xMxFePO4/C1/C2，其中x=0.02～0.08，C1為穿插在磷酸鐵鋰材料中的一維納米碳材料，C2為包覆在材料表面的有機(jī)物裂解碳，M為摻雜金屬元素。制備方法步驟為制備具有特殊結(jié)構(gòu)的一維納米碳材料摻雜的球型磷酸鐵；對(duì)制備的含結(jié)晶水磷酸鐵熱處理，除掉結(jié)晶水；得到的磷酸鐵，加入鋰源、有機(jī)碳源和摻雜金屬元素化合物，以酒精為分散劑，經(jīng)研磨混合均勻、干燥處理得到前驅(qū)體，在高純氮?dú)鈿夥障赂邷乇簾玫搅姿徼F鋰電池材料。本發(fā)明方法制得的磷酸鐵鋰表面包覆有有機(jī)碳源裂解形成的無(wú)定形碳，同時(shí)還穿插有纖維狀無(wú)機(jī)碳并摻雜金屬離子，大大提高了材料的顆粒表面和內(nèi)部電導(dǎo)率，具有較高的高功率放電特性，工藝簡(jiǎn)單，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M4/58GK102760880SQ201210278178
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者楊志寬, 程元?jiǎng)? 黃文杰 申請(qǐng)人:楊志寬, 程元?jiǎng)?br>