一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法。將磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑、粘結(jié)劑和水混合，經(jīng)攪拌、研磨、噴霧干燥處理后得到磷酸鐵鋰前驅(qū)體，磷酸鐵鋰前驅(qū)體在保護(hù)氣體氣氛中焙燒，冷卻后得磷酸鐵鋰正極材料。在制備磷酸鐵鋰前驅(qū)體的過程中，同時(shí)加入了分散劑和粘結(jié)劑，可在提高前驅(qū)體漿料的固含量的同時(shí)，又能保持漿料的低粘度。此方法可提高前驅(qū)體制備過程的效率，又能保障磷酸鐵鋰的性能。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法
本專利技術(shù)屬于能源材料
，涉及一種鋰離子電池正極材料，具體涉及一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法。
技術(shù)介紹
鋰離子電池具有重量輕，能量密度高，工作電壓高，循環(huán)壽命長，綠色環(huán)保等特點(diǎn)。鋰離子電池的研究成為關(guān)注的焦點(diǎn)，而新型電池正極材料成為提高鋰離子電池性能的關(guān)鍵。磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池具有以上優(yōu)點(diǎn)。目前磷酸鐵鋰的制備方法普遍采用高溫固相法，需用到噴霧干燥對(duì)球磨后的漿料進(jìn)行噴霧造粒，一方面使得鋰源、鐵源、磷源混合均勻，另一方面形成疏松多孔的顆粒結(jié)構(gòu)，以有利于固相燒結(jié)工步中各元素的均勻擴(kuò)散，進(jìn)而提高磷酸鐵鋰的容量和倍率性能。普通的噴霧干燥設(shè)備對(duì)其處理的漿料粘度有一定的要求，粘度過高時(shí)會(huì)造成噴嘴堵塞，也會(huì)同時(shí)造成噴霧后的顆粒密度過大，孔隙率不足，影響材料的吸液能力。如果選擇粘度較小的漿料進(jìn)行噴霧，又會(huì)因?yàn)榈驼扯葷{料的固含量較低，影響生產(chǎn)效率。目前一般產(chǎn)業(yè)化的固含量水平多在30％左右。理論上固含量高的好處在于：1.混料、噴霧干燥的效率高，處理單位體積的漿料可得到更多的產(chǎn)物；2.固含量高的漿料噴霧干燥所得的顆粒振實(shí)密度較高，細(xì)小顆粒的含量少，有利于提高燒結(jié)后磷酸鐵鋰材料的電性能以及能量密度；3.固含量高的漿料混料過程中消耗的純水量少，節(jié)約原料。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)公開中使用的方法，固含量過高時(shí)就會(huì)使?jié){料粘度過大，不易于噴霧干燥過程的進(jìn)行，干燥之后形成的顆粒形狀不規(guī)則。如中國專利公開號(hào)CN102180453中公布了一種閃蒸干燥方法，可部分解決噴霧干燥過程中漿料粘度大的問題，但目前此類閃蒸干燥設(shè)備還較為不成熟，在生產(chǎn)上推廣使用有一定難度。目前在磷酸鐵鋰制備過程中應(yīng)用較成熟的設(shè)備仍為噴霧干燥機(jī)。因此，目前的問題在于，使用常規(guī)的噴霧干燥機(jī)處理時(shí)：低粘度漿料效率低，高粘度漿料性能差。如何在提高漿料固含量，即提高處理效率的情況下，保持漿料的低粘度是急需解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法，在提高漿料固含量的同時(shí)，又能保持漿料的低粘度(≤2000mPa.s)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法，包含以下步驟：將磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑、粘結(jié)劑和水混合，經(jīng)攪拌、研磨、造粒處理后得到磷酸鐵鋰前驅(qū)體，磷酸鐵鋰前驅(qū)體在保護(hù)氣體氣氛中焙燒，冷卻后得磷酸鐵鋰正極材料。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)供了磷酸鐵鋰正極材料的制備方法包含如下步驟：(1)將磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑、粘結(jié)劑和水混合，攪拌；(2)將上述(1)所得漿料轉(zhuǎn)入砂磨機(jī)研磨；(3)將上述(2)得到漿料使用噴霧干燥造粒；(4)將上述(3)得到的產(chǎn)物在管式爐中，以氮?dú)饣驓鍤庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，以5℃-20℃/分鐘的升溫速率升溫至600℃-800℃，保溫?zé)崽幚?-20小時(shí)，冷卻后得磷酸鐵鋰正極材料。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述攪拌的攪拌轉(zhuǎn)速為200-400轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時(shí)間為2-4小時(shí)。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)本文中和水混合的范圍是使?jié){料固含量在20％—65％。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述鋰源選自氫氧化鋰、醋酸鋰、碳酸鋰、硝酸鋰或其組合。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述碳源選自蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇、可溶性淀粉、檸檬酸、甲基纖維素或其組合。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述分散劑選自檸檬酸三胺、聚甲基丙烯酸銨或其組合。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述粘結(jié)劑選自羧甲基纖維素銨、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、阿拉伯膠粉或其組合。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述磷酸鐵、鋰源和碳源中的鐵原子、鋰原子和碳原子的摩爾比為1-1.05：1-1.05：0.1-0.72。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述分散劑占原料總質(zhì)量的3-10％。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)所述粘結(jié)劑占原料總質(zhì)量的0.5-10％。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)中所述噴霧干燥進(jìn)口溫度為150℃。本專利技術(shù)的有益效果如下：采用同時(shí)添加分散劑和粘結(jié)劑的方式，調(diào)整漿料的固含量和粘度，兼顧了漿料的加工性能和產(chǎn)物的化學(xué)性能。漿料的固含量由20％提高到65％時(shí)，粘度從800mPa.s增加到2000mPa.s以內(nèi)，粘度的變化遠(yuǎn)小于不添加分散劑和粘結(jié)劑時(shí)的漿料粘度的變化。分散劑的加入使得在漿料固含量明顯提高的情況下，漿料粘度保持不變或僅小幅增加。粘結(jié)劑的加入使得噴霧后的顆粒呈疏松多孔的形貌，粉化的細(xì)小顆粒含量較添加前明顯減少，同時(shí)粘結(jié)劑的加入也有助于粉體在燒結(jié)前的干壓成型，減小了顆粒間隙，有助于各元素在燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散。本專利技術(shù)的詳細(xì)說明定義和一般術(shù)語本專利技術(shù)使用的定義“漿料固含量”表示漿料體系中磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑和粘結(jié)劑總含量占漿料總質(zhì)量的百分比。本專利技術(shù)使用的定義“分散劑”表示吸附于液固界面，并能顯著降低界面自由能，使固體粉末均勻的分散在液體或熔體中，并使之不再聚集的一類物質(zhì)。本專利技術(shù)中使用分散劑的目的是使經(jīng)過超細(xì)研磨機(jī)處理后的納米顆粒能夠在水中均勻分散，減少團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而降低噴霧干燥時(shí)漿料的粘度。本專利技術(shù)所使用的術(shù)語“研磨”表示通過研磨使物料粉碎分散成為細(xì)小顆粒的過程。研磨可以為由人工或機(jī)械完成，其中研磨分散設(shè)備包括砂磨機(jī)、球磨機(jī)、三輥機(jī)、單輥機(jī)等等，根據(jù)本專利技術(shù)的實(shí)施方案，優(yōu)選氧化鋯球微珠超能砂磨機(jī)作為研磨分散設(shè)備。本專利技術(shù)使用的定義“粘結(jié)劑”是表示具有粘性的物質(zhì)，借助其粘性能將兩種分離的材料連接在一起。本專利技術(shù)中粘結(jié)劑的加入有兩個(gè)目的：①使噴霧干燥后的顆粒形貌更規(guī)則，減少粉化的細(xì)小顆粒含量；②添加粘結(jié)劑后，可減少燒結(jié)前干壓成型時(shí)顆粒的間隙，有助于各元素在燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散，對(duì)提高產(chǎn)物的電化學(xué)性能更為有利。本專利技術(shù)使用的定義“原料總質(zhì)量”是磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量總和。本專利技術(shù)使用的術(shù)語“干燥”或“噴霧干燥”的目的是將漿料(磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑、粘結(jié)劑和水的混合體)中的水分快速除去，同時(shí)將漿料中的固體組分成型為球形顆粒。對(duì)于正極材料磷酸鐵鋰而言，快速除去水分可以避免磷酸鐵鋰中Fe2+的氧化，球形顆粒對(duì)提高磷酸鐵鋰的振實(shí)密度很有幫助，而振實(shí)密度是直接影響此材料以及由此材料做成的電池的單位質(zhì)量能量比的因素。業(yè)內(nèi)多數(shù)采用噴霧干燥方法來處理，除此之外，也可采用微波干燥等方式來處理。本專利技術(shù)所使用的術(shù)語“造粒”表示將粉狀物，經(jīng)過處理后做成具有一定形狀與大小的，流動(dòng)性好的固體顆粒的操作。造粒的方法在本專利技術(shù)的實(shí)施方式中，除優(yōu)選的噴霧干燥造粒法，還可使用如空氣懸浮法、多孔離心法、熔化分散法、擠壓法等物理或化學(xué)方法。本專利技術(shù)所使用的術(shù)語“研磨”表示通過研磨使物料粉碎分散成為細(xì)小顆粒的過程。研磨分散可以為由人工或機(jī)械完成，其中研磨分散設(shè)備包括砂磨機(jī)、球磨機(jī)、三輥機(jī)、單輥機(jī)等等，根據(jù)本專利技術(shù)的實(shí)施方案，優(yōu)選氧化鋯球微珠超能砂磨機(jī)作為研磨分散設(shè)備。具體實(shí)施方式以下所述的是本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施方式，本專利技術(shù)所保護(hù)的不限于以下優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在此專利技術(shù)創(chuàng)造構(gòu)思的基礎(chǔ)上，做出的若干變形和改進(jìn)，都屬于本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)組：稱取150.8g無水磷酸鐵(FePO4)，33.8g碳酸鋰(Li2CO3)，23.8g葡萄糖(C6H12O6·H2O)，分別作為合成正極材料磷酸鐵鋰的磷、鐵源，鋰源和碳源。再加入26.05g檸檬酸三胺作為分散劑，26.05g羧甲基纖維素銨作為粘結(jié)劑。將以上組分，添加1本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法，其特征是，包含以下步驟：將磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑、粘結(jié)劑和水混合，經(jīng)攪拌、研磨、造粒處理后得到磷酸鐵鋰前驅(qū)體，磷酸鐵鋰前驅(qū)體在保護(hù)氣體氣氛中焙燒，冷卻后得磷酸鐵鋰正極材料。

【技術(shù)特征摘要】
2013.07.17 CN 201310301465.61.一種磷酸鐵鋰正極材料的制備方法，其特征是，包含以下步驟：(1)將磷酸鐵、鋰源、碳源、分散劑、粘結(jié)劑和水混合，攪拌；(2)將上述(1)所得漿料轉(zhuǎn)入砂磨機(jī)研磨；(3)將上述(2)得到漿料使用噴霧干燥造粒；(4)將上述(3)得到的產(chǎn)物在管式爐中，以氮?dú)饣驓鍤庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，以5℃-20℃/分鐘的升溫速率升溫至600℃-800℃，保溫?zé)崽幚?-20小時(shí)，冷卻后得磷酸鐵鋰正極材料；所述磷酸鐵、鋰源和碳源中的鐵原子、鋰原子和碳原子的摩爾比為1-1.05：1-1.05：0.1-0....

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄭保平，方蕾蕾，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東莞市長安東陽光鋁業(yè)研發(fā)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44