一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料及制备方法，该短孔道介孔正极材料是采用一种简便的方法将掺杂、包覆和材料纳米化三种技术揉合到一起；该短孔道介孔正极材料是通过碳包覆与掺杂Zr双重改性形成，且孔道长度在200‑400nm之间；其制备方法以阳离子表面活性剂为碳源和支撑，加入Zr源采用一步水热法制备出一种新型的短孔道介孔正极材料。该方法制备的短孔道介孔正极材料，不仅能够提升锂离子电池LiFePO4正极材料的导电率以及锂离子的扩散速率，还在一定程度上缓解低温放电性能差的问题，拓宽其在新能源汽车上的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料及制备方法
本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料及制备方法。
技术介绍
随着全球日益严重的能源危机，作为主要动力能源的石油资源日益匮乏，研究和开发新一代替代性产品已迫在眉睫。目前，各国都在新能源包括锂离子电池领域给予了大力的资金投入和政策支持。锂离子电池具有高能量功率密度、无记忆效应、循环寿命长、工作电压平台高，作为高密度的能量储存技术与高效率的能量转化技术，以及相对清洁环保的优点，已逐渐进入人们的视野，成为人们关注的焦点，被研发用以缓解能源紧张和环保问题，并被广泛应用于便携式电子设备、储能设备以及电动车的驱动中。正负极材料、电解液和隔膜的性能影响并制约着锂离子电池性能的提高，其中正极材料起到关键作用。目前，锂离子电池正极材料分为以下几类：①具有层状结构的钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)正极材料；②具有尖晶石结构的锰酸锂(LiMn2O4)正极材料；③具有橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料；此外还有三元材料。磷酸铁锂正极材料的理论比容量为170mA/g，电压平台为3.7V，在全充电状态下具有良好的热稳定性、较小的吸湿性和优良的充放电循环性能，因此成为现今动力、储能锂离子电池领域研究和生产开发的重点。但由于其本身结构的限制，导致以LiFePO4为正极材料的锂离子电池导电率差(10-9S/cm)、锂离子扩散速率慢(10-13～10-16cm2/s)，在-20℃低温条件下，放电容量保持率低于80％，放电性能较差，这些都制约了LiFePO4正极材料的大规模工业化生产。专利CN201110069926.2公开了一种纳米核壳结构的磷酸铁锂正极材料及制备方法，该正极材料具有内核活性材料和导电的外壳结构。其制备方法为采用多孔材料为合成微反应器，磷酸铁锂前驱物负载填充于孔内，即内核活性前驱物反向包裹多孔前驱物形成特殊的纳米核壳结构，从而控制一次颗粒的形貌粒度；采用液相混料与固相烧结的工艺来制备纳米核壳结构的磷酸铁锂正极材料。但该制备方法需要调节溶液的pH值，同时正极材料前驱物在干燥过程中负载填充在多孔结构中，制备过程复杂，控制难度更高。为了解决LiFePO4正极材料的这些问题，人们通常采用掺杂法、包覆法和材料纳米化来提高其导电率以及锂离子的扩散速率。但是与市场需求相比，磷酸铁锂材料及其电池性能仍然需要进行持续的改进和提高，如离子掺杂改进材料的导电率和锂离子扩散速率方面仍存在分歧；纳米材料的制备工艺、生产成本要求较高；此外，除了考虑实验室条件下的可行性研究外，还要考虑大规模工业化的生产要求，这些都有待于进一步研究。因此本专利技术采用一种简便的方法将这三种技术巧妙地结合起来制备出性能优异的孔道长度在200～400nm的锂离子电池正极材料LiZrXFe1-XPO4/C。
技术实现思路
本专利技术以阳离子表面活性剂作为碳源和支撑，加入Zr源采用一步水热法制备出一种新型的锂离子电池短孔道介孔LiZrXFe1-XPO4/C正极材料，提升了锂离子电池LiFePO4正极材料的导电率以及锂离子的扩散速率，一定程度上缓解了低温放电性能差的问题，拓宽了其在新能源汽车上的应用。本专利技术提供一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料，所述短孔道介孔正极材料的化学组成为LiZrXFe1-XPO4/C，所述短孔道介孔正极材料的内部形成有序的孔道，所述孔道的长度为200～400nm。进一步地，所述短孔道介孔正极材料具有碳包覆层和Zr掺杂。进一步地，所述碳包覆层的厚度为1～5nm。进一步地，所述Zr掺杂的比例X取0.1～0.35。本专利技术提供一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)水解：将阳离子表面活性剂、去离子水、磷酸按照一定质量比例加入反应釜中，进行搅拌一定时间；(2)水热合成：在搅拌状态缓慢加入氯氧化锆、氯化铁和醋酸锂，然后继续搅拌12～24小时，再将反应混合液转入到内嵌有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中；(3)晶化与过滤：将装有反应混合液的不锈钢水热釜在恒温箱中晶化，所述晶化的温度为90～110℃，所述晶化的时间为12～24小时，用去离子水进行过滤、洗涤得到沉淀物；(4)干燥与焙烧：将所得沉淀物进行干燥，在惰性气氛中恒温焙烧，所述恒温焙烧的温度为500～700℃，所述恒温焙烧的时间为5～7小时，即得到所述短孔道介孔正极材料。进一步地，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基二甲基苄基季铵氯化物中的一种以上。进一步地，步骤(1)中所述搅拌的温度为30～50℃，所述搅拌的时间为2～5小时。进一步地，所述磷酸与去离子水的质量比为0.05～0.08：1。进一步地，所述阳离子表面活性剂、磷酸、氯氧化锆、氯化铁、醋酸锂的比例为(0.55～1.68)：(1.51～1.81)：(0.27～0.96)：(1.63～2.25)：1。进一步地，升温至所述恒温焙烧温度过程中的升温速率为2～6℃/min。本专利技术的有益效果：本专利技术的锂离子电池的短孔道介孔正极材料内部有序孔道的长度为200～400nm，其极小的孔道长度和掺杂有Zr及碳包覆，有利于导电率和锂离子扩散速率的进一步提高，并且一定程度上缓解了低温放电性能差的问题。采用阳离子表面活性剂作为模板剂起支撑作用，同时作为碳源，包覆磷酸铁锂并限制其生长，使孔道的长度限制在200～400nm。采用氯氧化锆进行掺杂锆，有利于阻止磷酸铁锂的生长，使孔道的长度限制在200～400nm，控制升温速率为2～6℃/min，可以进一步控制材料的晶型与粒径。本专利技术主要采用水热合成、晶化和焙烧即可以得到短孔道介孔正极材料，方法简便容易操作。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为短孔道介孔正极材料扫描电镜的形貌图图2为短孔道介孔正极材料透射电镜的形貌图具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明，但不用来限制本专利技术的范围。本专利技术提供一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料，所述短孔道介孔正极材料的化学组成为LiZrXFe1-XPO4/C，所述短孔道介孔正极材料的内部形成有序的孔道，所述孔道的长度为200～400nm，短的孔道长度，有利于正极材料导电率的进一步提高。优选地，所述短孔道介孔正极材料具有碳包覆层和Zr掺杂，有利于提高锂离子的扩散速率，并且一定程度上缓解了低温放电性能差的问题。优选地，所述碳包覆层的厚度为1～5nm。优选地，所述Zr掺杂的比例X取0.1～0.35。所述短孔道介孔正极材料的扫描电镜形貌如图1，透射电镜形貌如图2。本专利技术的锂离子电池的短孔道介孔正极材料内部孔道的长度为200～400nm，其短的孔道长度，有利于导电率的进一步提高，同时掺杂有Zr和进行碳包覆，有利于提高锂离子的扩散速率，并且一定程度上缓解了低温放电性能差的问题。本专利技术还提供一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料的制备方法，通过以下具体实施例来说明。实施例1将4.4g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、147g去离子水、10.3g磷酸分别加入反应釜中，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料，其特征在于，所述短孔道介孔正极材料的化学组成为LiZrXFe1‑XPO4/C，所述短孔道介孔正极材料的内部形成有序的孔道，所述孔道的长度为200～400nm。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料，其特征在于，所述短孔道介孔正极材料的化学组成为LiZrXFe1-XPO4/C，所述短孔道介孔正极材料的内部形成有序的孔道，所述孔道的长度为200～400nm。2.根据权利要求1所述锂离子电池的短孔道介孔正极材料，其特征在于，所述短孔道介孔正极材料具有碳包覆层和Zr掺杂。3.根据权利要求2所述锂离子电池的短孔道介孔正极材料，其特征在于，所述碳包覆层的厚度为1～5nm。4.根据权利要求2所述锂离子电池的短孔道介孔正极材料，其特征在于，所述Zr掺杂的比例X取0.1～0.35。5.一种如权利要求1所述锂离子电池的短孔道介孔正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)水解：将阳离子表面活性剂、去离子水、磷酸按照一定质量比例加入反应釜中，进行搅拌一定时间；(2)水热合成：在搅拌状态缓慢加入氯氧化锆、氯化铁和醋酸锂，然后继续搅拌12～24小时，再将反应混合液转入到内嵌有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中；(3)晶化与过滤：将装有反应混合液的不锈钢水热釜在恒温箱中晶化，所述晶化的温度为90～110℃，所述晶化的时间为12～24小时，用去离子水进行过...

【专利技术属性】
技术研发人员：李蒙，程兴，邢伟伟，王星星，周艳兵，王佳希，李小兵，
申请(专利权)人：桑顿新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43