一种磷酸铁锂正极材料的制备方法及锂离子电池与流程

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种磷酸铁锂正极材料的制备方法及锂离子电池。

背景技术：

磷酸铁锂(LiFePO₄)电池作为一种绿色环保能源，以其高安全性、良好的高温特性、长的循环寿命、对环境友好、来源广、价格低廉等优点引起人们的高度关注，逐渐成为动力电池的重要选择。

然而，磷酸铁锂正极材料存在电子电导率低和离子扩散率小的缺点，未经过包覆改性的磷酸铁锂电导率约为10-9～10-11S/cm，近乎绝缘体，其粒子扩散系数也很低，D_Li+<10^-14cm²/s，影响了磷酸铁锂正极材料的倍率性能和低温放电性能,LiFePO₄在-20℃的放电容量不到20℃容量的50％，限制了其在高功率动力领域的大规模应用。

对于LiFePO₄正极材料，通常通过碳包覆、金属离子掺杂、导电聚合物包覆等方法，来提高其性能。在磷酸铁锂的表面包覆碳，可以有效提高电子的电导率，同时表面的碳包覆层形成后，可限制颗粒粒径进一步增大，达到控制粒径的目的，但是，由于碳的质量较轻，并且为非活性物质，碳的加入导致了正极材料体积比能量和质量比能量的降低；在磷酸铁锂制备过程中掺杂金属阳离子可以提高材料本体的电导率，但是离子掺杂容易破坏其晶格结构，阻塞锂离子的扩散通道。

鉴于此，实有必要提供一种新型的磷酸铁锂正极材料的制备方法及锂离子电池以克服以上缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种锂离子导电率高、放电容量大且循环性能优异的磷酸铁锂正极材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：配置一定浓度的醋酸和双氧水的混合液，然后，向醋酸和双氧水混合溶液中加入一定量磷酸铁锂混合液，搅拌一段时间后，过滤，洗涤沉淀，并进行第一次真空下干燥，得到部分脱锂后的磷酸铁锂；

步骤二：将一定量的锂盐加入到一定量的甲醇溶液中，搅拌溶解，再向其中加入物质的量之比为10：0～0：10的苯胺和吡咯，混合均匀后，加入一定量步骤一得到的部分脱锂后的磷酸铁锂，在一定温度下进行搅拌反应，得到反应产物；

步骤三：对步骤二制得的反应产物进行过滤，用甲醇和乙腈洗涤至滤液无色，并进行第二次真空干燥，得到苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料。

在一个优选实施方式中，所述步骤一中的醋酸和双氧水的混合溶液的配置方法为：将2ml醋酸加入100ml去离子水中溶解，再向其中加入5ml浓度为30％双氧水。

在一个优选实施方式中，所述步骤一中的磷酸铁锂混合液的配置方法为：取10.2g磷酸铁锂粉末分散在250ml去离子水溶液中。

在一个优选实施方式中，所述步骤一中的搅拌时间为15min；所述步骤一中第一次真空干燥的干燥温度为60℃，干燥时间为12h；所述步骤三中第二次真空干燥的干燥温度为60℃，干燥时间为12h。

在一个优选实施方式中，所述步骤二中的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，所述步骤二中加入的锂盐的质量为3.1g，甲醇溶液的体积为25ml。

在一个优选实施方式中，所述步骤二中的加入的部分脱锂后的磷酸铁锂的质量为4.68g，所述步骤二中搅拌反应的反应温度为60℃，反应时间为2h。

在一个优选实施方式中，所述步骤二中苯胺和吡咯的物质的量之比为7：3。

在一个优选实施方式中，所述步骤二中苯胺和吡咯的物质的量之比为5：5。

在一个优选实施方式中，所述步骤二中苯胺和吡咯的物质的量之比为3：7。

本发明还提供一种锂离子电池，包括负极片、隔膜、电解液及外壳，还包括上述方法所制备的磷酸铁锂正极材料的正极片；所述正极片、负极片及隔膜卷绕后装入所述外壳，经注电解液、封口后组成所述锂离子电池。

相比于现有技术，本发明提供的磷酸铁锂正极材料的制备方法，采用过氧化氢和醋酸的水溶液使磷酸铁锂部分脱锂，反应后溶液中的醋酸锂容易被回收利用，且过氧化氢则分解得到水，对环境不会造成污染；依靠脱锂后的磷酸铁锂的氧化性质使苯胺和吡咯发生共聚，无需从外界加入过硫酸铵或者高锰酸钾等氧化剂，避免了正极材料中掺杂的氧化剂进入到电解质溶液中，污染电解质溶液，影响电池性能；并且，采用这种方法制得苯胺/吡咯的导电共聚物包覆磷酸铁锂正极材料工艺简单，成本较低，锂离子导电率高、锂离子电池的放电容量大且循环性能优异。

【附图说明】

图1为本发明实施例1、2、3、4、5所制备苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料阻抗谱图；

图2为本发明实施例1、4、5所制备的苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料的0.1C循环曲线；

图3为本发明实施例1、4、5所制备的苯胺/吡咯包覆de磷酸铁锂正极材料1C循环曲线。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

本发明提供一种磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：配置一定浓度的醋酸和双氧水的混合液，然后，向醋酸和双氧水混合溶液中加入一定量磷酸铁锂混合液，搅拌一段时间后，过滤，洗涤沉淀，并进行第一次真空下干燥，得到部分脱锂后的磷酸铁锂；

步骤二：将一定量的锂盐加入到一定量的甲醇溶液中，搅拌溶解，再向其中加入物质的量之比为10：0～0：10的苯胺和吡咯，混合均匀后，加入一定量步骤一得到的部分脱锂后的磷酸铁锂，在一定温度下进行搅拌反应，得到反应产物；

步骤三：对步骤二制得的反应产物进行过滤，用甲醇和乙腈洗涤至滤液无色，并进行第二次真空干燥，得到苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料。

具体的，所述步骤一中的醋酸和双氧水的混合溶液的配置方法为：将2ml醋酸加入100ml去离子水中溶解，再向其中加入5ml浓度为30％双氧水，得到醋酸和双氧水的混合液；所述步骤一中的磷酸铁锂混合液的配置方法为：取10.2g磷酸铁锂粉末分散在250ml去离子水溶液中，得到磷酸铁锂混合液。

具体的，所述步骤一中的搅拌时间为15min；所述步骤一中第一次真空干燥的干燥温度为60℃，干燥时间为12h；所述步骤三中第二次真空干燥的干燥温度为60℃，干燥时间为12h。

具体的，所述步骤二中的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，所述步骤二中加入的锂盐的质量为3.1g，甲醇溶液的体积为25ml。

具体的，所述步骤二中的加入的部分脱锂后的磷酸铁锂的质量为4.68g，所述步骤二中搅拌反应的反应温度为60℃，反应时间为2h。

本发明还提供一种锂离子电池，包括负极片、隔膜、电解液及外壳，还包括上述方法所制备的磷酸铁锂正极材料的正极片；所述正极片、负极片及隔膜卷绕后装入所述外壳，经注电解液、封口后组成所述锂离子电池。

实施例1：

1、取2ml醋酸加入100ml去离子水中，再向其中加入5ml的30％双氧水溶液，得到醋酸和双氧水的混合液；取10.2g磷酸铁锂粉末分散在250ml去离子水溶液中，得到磷酸铁锂混合液；将醋酸和双氧水的混合液及磷酸铁锂混合液混合后，充分搅拌15min，过滤，用去离子水洗涤后，在真空条件下，60℃干燥12h，得到部分脱锂后的磷酸铁锂；

2、称取3.1gLiTFSI加入25ml甲醇溶液中，搅拌溶解，加入9.13ml苯胺(即按照物质的量之比n(苯胺)：n(吡咯)＝10∶0)，搅拌溶解后，向其中加入4.68g步骤1制得的脱锂后的磷酸铁锂，置于烤箱中60℃下反应2h；

3、将步骤2的反应产物通过过滤器过滤，依次用甲醇和乙腈洗涤，在真空环境中于60℃下干燥12h，得到苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料。

实施例2：

制备方法基本与实施例1相同，不同之处为步骤2中苯胺与吡咯的物质的量之比n(苯胺)：n(吡咯)＝7：3，即依次取0.639ml苯胺和0.208ml吡咯加入至溶液中。

实施例3：

制备方法基本与实施例1相同，不同之处为步骤2中苯胺与吡咯的物质的量之比n(苯胺)：n(吡咯)＝5：5，即依次取0.456ml苯胺和0.347ml吡咯加入至溶液中。

实施例4：

制备方法基本与实施例1相同，不同之处为步骤2中苯胺与吡咯的物质的量之比n(苯胺)：n(吡咯)＝3：7，即依次取0.274ml苯胺和0.485ml吡咯加入至溶液中。

实施例5：

制备方法基本与实施例1相同，不同之处为步骤2中苯胺与吡咯的物质的量之比n(苯胺)：n(吡咯)＝0：10，即取0.693ml吡咯加入至溶液中。

正极极片的制备及扣式电池的组装与测试：

正极极片制备：按质量比(80：10：10)分别称取本发明实施例制备的苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料、碳黑及粘结剂(PVDF)，溶剂为N甲基吡咯烷酮(NMP)，混合并研磨得到正极活性浆料，将正极活性浆料涂布在集流体铝箔上，真空120℃干燥12h，冲片，制得直径为15mm的正极圆片。

电解液：溶质为1.0mol/L的LiPF₆，溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，二者体积比为1:1。

负极：金属锂片。

隔膜：聚丙烯微孔隔膜。

电池组装：按照顺序：以负极壳—弹片—垫片—锂片—电解液—隔膜—正极片—垫片—正极壳的顺序将电池进行封装，整个过程都在充有氩气的手套箱中完成。

测试：电化学阻抗谱测试采用交流电压信号振幅为5mV，频率范围为0.01Hz～10⁵Hz；室温下测试电池充放电性能，测试电压区间为2.2-4.2V。

图1为本发明实施例1、2、3、4、5所制备苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料阻抗谱图；图2为本发明实施例1、4、5所制备的苯胺/吡咯包覆的磷酸铁锂正极材料的0.1C循环曲线；图3为本发明实施例1、4、5所制备的苯胺/吡咯包覆de磷酸铁锂正极材料1C循环曲线。

结合图1、图2及图3可以看出，通过调整苯胺和吡咯的配比，得到结合了聚苯胺和聚吡咯优点的导电共聚物包覆的磷酸铁锂正极材料，物质的量的比为3：7的苯胺和吡咯的配比得到共聚物包覆的正极材料的电荷转移电阻最小，0.1C放电克容量达到160mAh/g，循环稳定性能好。

本发明提供的磷酸铁锂正极材料的制备方法，采用过氧化氢和醋酸的水溶液使磷酸铁锂部分脱锂，反应后溶液中的醋酸锂容易被回收利用，且过氧化氢则分解得到水，对环境不会造成污染；依靠脱锂后的磷酸铁锂的氧化性质使苯胺和吡咯发生共聚，无需从外界加入过硫酸铵或者高锰酸钾等氧化剂，避免了正极材料中掺杂的氧化剂进入到电解质溶液中，污染电解质溶液，影响电池性能；并且，采用这种方法制得苯胺/吡咯的导电共聚物包覆磷酸铁锂正极材料工艺简单，成本较低，锂离子导电率高、锂离子电池放电容量大且循环性能优异。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。