一种LiFePO4/C多级复合微球的溶剂热辅助制备方法与流程

本发明属于电化学储能材料技术领域，具体涉及一种LiFePO₄/C多级复合微球的溶剂热辅助制备方法。

背景技术：

随着工业化进程步伐的加快，人们的生存方式和生活水平发生了翻天覆地的变化，但同时煤炭、石油、天然气等化石能源的过度开采和肆意消耗也随之愈演愈烈，如今能源匮乏、环境恶化等问题俨然成为全世界亟待解决的首要难题。鉴于可持续发展战略的角度考虑，大力发展新型清洁能源产业已成为解决当前能源与环境危机的必然选择。锂离子电池(LIBs)是20世纪末发展起来的清洁化学电源，自商业化普及以来迅速占据了便携式电子产品市场，如智能手机、数码相机/摄像机、笔记本电脑、iPad平板电脑等，在我们日常生活和工作中发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的不断进步以及对绿色能源的迫切需求，LIBs逐渐趋于大型化和多样化，并成为未来电动汽车、固定存储装置以及智能电网系统等领域的首选电源。正极材料是LIBs的核心组件之一，其性能参数在很大程度上影响着电池的输出电压、功率/能量密度、循环寿命以及安全性能等，加之成本占电池成本的30％以上，因此有关正极材料的探索与开发一直是LIBs领域非常重要的研究课题。目前，已经实现商业化的LIBs正极材料主要有LiCoO₂、LiMn₂O₄及LiFePO₄等。相比之下，橄榄石LiFePO₄的比容量高(170mAh g^-1)、循环寿命长、平台特性理想(3.45V vs.Li/Li⁺)、热稳定性好且安全可靠，即便是在满充状态下也很难发生析O₂现象，加之具备资源储量丰富、成本低、环境友好等先天优势，被认为是车载动力LIBs最具发展潜力的正极材料，其大规模生产符合我国可持续发展的战略方针。目前，制约LiFePO₄规模化推广的主要瓶颈在于成本、生产工艺以及性能之间的合理权衡问题。围绕LiFePO₄存在的电子和离子电导率偏低问题，若干改性措施如表面包覆、体相掺杂以及形貌控制等被相继开发并报道，且其中已有部分实现了产业化改良，但LiFePO₄的规模化生产仍有待于进一步完善，同时在性能上还存在很大的提升空间，特别是在功率和能量密度方面，这对于可再生清洁能源的存储以及动力交通工具的开发尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术所存在的问题和缺陷，提供一种简单、经济、高效的LiFePO₄/C多级复合微球的溶剂热辅助制备方法。

本发明中我们以三价Fe³⁺盐为铁源，通过一步混合溶剂热法原位合成间苯二酚-甲醛树脂(RF)包覆的LiFePO₄OH多级复合微球LiFePO₄OH/RF(即以RF为外壳、LiFePO₄OH为内核的LiFePO₄OH/RF纳米粒子团聚形成多级复合微球)；然后将LiFePO₄OH/RF在保护气氛下高温碳热还原处理可进一步转化为LiFePO₄/C多级复合微球(即以碳为外壳、LiFePO₄为内核的LiFePO₄/C纳米粒子团聚形成多级复合微球)，其过程无需额外引入碳源或者研磨处理。LiFePO₄/C多级复合微球不仅具有高达～1.3g cm^-3的振实密度，同时其纳米尺度的一次粒子保证了充足的电极/电解液活性接触面积，使材料呈现出优异的电化学储锂性能，在高能量/功率锂离子电池领域有着潜在的应用前景。

为达到上述目的，本发明提供一种LiFePO₄/C多级复合微球的制备方法，其步骤如下：

(1)将磷源、锂源、铁源以及间苯二酚依次加入到去离子水中，充分搅拌均匀；

(2)向步骤(1)所得混合溶液中加入内含甲醛水溶液(甲醛水溶液中甲醛的质量分数为35～40％)的醇溶液，充分搅拌均匀；

(3)将步骤(2)所得的混合溶液转移至反应釜中，密闭，在自生压力下恒温晶化；待反应结束并冷却至室温后，将溶剂热过程形成的沉淀产物依次进行抽滤、去离子水洗涤、干燥处理得到LiFePO₄OH/RF粉末前驱体；

(4)将步骤(3)所得LiFePO₄OH/RF粉末前驱体在保护气氛下进行高温煅烧处理即得到本发明所述的LiFePO₄/C多级复合微球。

其中，磷源、锂源、铁源、间苯二酚(R)组分之间的摩尔比为P：Li：Fe：R＝1：1～6.0：0.25～3.0：0.05～5.0，优选为P：Li：Fe：R＝1：1.05～3.0：0.75～1.2：0.2～3.0；间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.05～3.0：1，优选为0.25～1.5：1。

步骤(1)中，所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二氨、磷酸铵、磷酸二氢锂中的一种或多种，优选为磷酸、磷酸二氢铵。

步骤(1)中，所述锂源为氢氧化锂、醋酸锂、草酸锂、硝酸锂、碳酸锂、氯化锂、氧化锂中的一种或多种，优选为氢氧化锂、醋酸锂。

步骤(1)中，所述铁源为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸铁铵、柠檬酸铁中的一种或多种，优选为硝酸铁、硫酸铁。

步骤(1)中，将磷源加入到去离子水形成的水溶液中，磷源的摩尔浓度为0.02～10mol L^-1，优选为0.25～3mol L^-1。

步骤(2)中，所述醇溶液为甲醇、乙醇、异丙醇、1,3-丙二醇、乙二醇、丙三醇、四甘醇、聚乙二醇中的一种或多种，优选为甲醇。

步骤(2)中，所述步骤(2)得到的混合溶液中，H₂O组分与醇溶液中醇组分之间的质量比为0.05～20：1，优选为0.25～5：1。

步骤(3)中，所述晶化反应温度为70～350℃，优选为120～250℃，晶化反应时间为0.1～96h，优选为1～24h。

步骤(3)中，所述恒温晶化可以在搅拌下进行，搅拌速率为0～3000rpm，优选为150～1200rpm。

步骤(3)中，所述干燥处理温度为-80～120℃，优选为45～90℃；干燥处理时间为0.1～72h，优选为3～24h。

步骤(4)中，所述煅烧温度为400～850℃，优选为500～750℃；煅烧时间为0.2～24h，优选为3～12h；升温速率为0.1～30℃ min^-1，优选为1～5℃ min^-1。

步骤(4)中，所述保护气氛为氮气、氩气、氮-氢混合气、氩-氢混合气中的一种或多种，优选为氩气、氩-氢混合气。

相对于现有技术，本发明具有以下特征及有益效果：

(1)本发明以三价Fe³⁺盐为铁源，通过一步混合溶剂热法原位合成间苯二酚-甲醛树脂(RF)修饰的LiFePO₄OH多级复合微球，标记为LiFePO₄OH/RF。将LiFePO₄OH/RF在保护气下高温碳热还原处理可进一步转变为LiFePO₄/C多级复合微球，其过程无需额外引入碳源或者研磨混合处理，是一种经济、高效、环保的合成方法，有望实现大规模商业化生产。

(2)本发明制备的LiFePO₄/C多级复合微球不仅具有高达～1.3g cm^-3的振实密度，同时其纳米尺度的一次粒子保证了电极与电解液之间充足的活性接触面积，使材料呈现出优异的电化学储锂性能，在高能量/功率锂离子电池领域(如动力电池、大型储能电站等)有着潜在的应用前景。

附图说明

图1是实施例1所制备样品的X射线衍射(XRD)图谱。

图2是实施例1所制备样品的(A)低倍和(B)高倍扫描电镜(SEM)照片。

图3是实施例1所制备样品在半电池体系下的恒流充放电曲线。

具体实施方式

结合以下实例对本发明做出进一步描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

(1)将1.153g H₃PO₄水溶液(H₃PO₄的质量分数为85％)，0.84g LiOH·H₂O，4.04g Fe(NO₃)₃·9H₂O和0.55g间苯二酚依次加入10g H₂O中，充分搅拌均匀；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入10g内含0.81g甲醛水溶液(甲醛的质量分数为37％)的甲醇溶液，充分搅拌均匀；

(3)将步骤(2)混合溶液转移至反应釜中，密闭，在自生压力下180℃恒温搅拌(600rpm)晶化6h。反应完毕后，将产物进行抽滤、去离子水洗涤，并于70℃烘箱中鼓风干燥12h得到LiFePO₄OH/RF粉末前驱体；

(4)将步骤(3)所得的LiFePO₄OH/RF粉末前驱体置于Ar/H₂(H₂的体积分数为6％)气氛的管式炉中，以2℃ min^-1的升温速率升至700℃并恒温保持6h即得LiFePO₄/C多级复合微球，质量约1.2g。

实施例2

(1)将1.153g H₃PO₄水溶液(H₃PO₄的质量分数为85％)，0.84g LiOH·H₂O，4.04g Fe(NO₃)₃·9H₂O和0.66g间苯二酚依次加入10g H₂O中，充分搅拌均匀；

(2)向步骤(1)溶液中加入10mL内含1.215g甲醛水溶液(甲醛的质量分数为37％)的甲醇溶液，充分搅拌均匀；

(3)将步骤(2)混合溶液转移至反应釜中，密闭，在自生压力下170℃恒温搅拌(450rpm)晶化8h。反应完毕后，将产物进行抽滤、去离子水洗涤，并于80℃烘箱中鼓风干燥10h得到LiFePO₄OH/RF粉末前驱体；

(4)将步骤(3)所得的LiFePO₄OH/RF粉末前驱体置于Ar/H₂(H₂的体积分数为6％)气氛的管式炉中，以2℃ min^-1的升温速率升至700℃并恒温保持8h即得LiFePO₄/C多级复合微球，质量约1.3g。

实施例3

(1)将1.153g H₃PO₄水溶液(H₃PO₄的质量分数为85％)，1.53g CH₃COOLi·2H₂O，4.04g Fe(NO₃)₃·9H₂O和0.55g间苯二酚依次加入10g H₂O中，充分搅拌均匀；

(2)向步骤(1)溶液中加入10g内含1.215g甲醛水溶液(甲醛的质量分数为37％)的甲醇溶液，充分搅拌均匀；

(3)将步骤(2)混合溶液转移至反应釜中，密闭，在自生压力下200℃恒温搅拌(600rpm)晶化5h。反应完毕后，将产物进行抽滤、去离子水洗涤，并于80℃烘箱中鼓风干燥12h得到LiFePO₄OH/RF粉末前驱体；

(4)将步骤(3)所得的LiFePO₄OH/RF粉末前驱体置于Ar气氛的管式炉中，以3℃ min^-1的速率升温至650℃并恒温保持10h即得LiFePO₄/C多级复合微球，其质量约1.2g。

对实施例1制备的LiFePO₄/C多级复合微球进行结构与性能表征分析。

采用Rigaku D/MAX-2550型X射线衍射仪(日本)对样品进行物相表征分析，结果如图1所示。经比对分析，样品的XRD谱图与橄榄石LiFePO₄标准谱图完全吻合，不存在其它杂峰，说明样品中活性组分为LiFePO₄纯相。此外，高耸的衍射峰形表明样品的结晶性良好。

采用JEOL JSM-6700F型扫描电子显微镜(日本)对样品进行形貌表征，结果如图2所示。低倍SEM照片(图2A)显示样品呈现为规整的微球形貌，直径介于2～3μm之间。高倍SEM照片(图2B)进一步表明LiFePO₄/C微球具有典型的多级结构特性，由大量LiFePO₄/C纳米粒子堆积而成。

采用武汉LAND CT2001A型电池测试系统(中国)对样品进行电化学储锂性能表征，结果如图3所示。半电池体系下(以实施例1产物为正极，金属锂片为负极，Celgard 2400聚丙烯膜为隔膜，电解液采用传统的LiPF₆基有机电解液)的恒流充放电数据表明样品具有优异的电化学储锂性能：在较低倍率下(0.2C和0.5C，1C＝170mA g^-1)，样品可以放出155.6和144.5mAh g^-1的可逆比容量，且充放电曲线的平台属性良好；当倍率提升至1C,2C,5C,10C和30C时，其放电比容量分别保持在131.2,116.7,97.8,82.1和57.4mAh g^-1。

以上所述，仅是本发明的几种实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，本发明的保护范围不限于此。