纳米FePO4的合成及其正极材料LiFePO4/C的电化学性能研究
武玉玲, 蒲薇华, 任建国, 姜长印, 万春荣
清华大学 核能与新能源技术研究院, 北京102201
蒲薇华, 高级工程师. E-mail:puwh@tsinghua.edu.cn

武玉玲(1981-), 女, 助理研究员. E-mail:yuling1521@126.com

摘要

以Fe3+为铁源, 采用控制结晶技术合成了纳米FePO4·xH2O, 将FePO4·xH2O于500℃热处理4 h后得到纳米FePO4前驱体, 然后通过碳热还原在不同温度下煅烧合成橄榄石结构的纳米LiFePO4/C样品. 采用差热/热重、X射线衍射、扫描电镜、比表面测试、电化学性能测试等分析测试方法对纳米FePO4·xH2O、FePO4前驱体及不同煅烧温度下制得的纳米LiFePO4/C样品进行表征.研究结果表明, 700℃烧结10 h合成LiFePO4/C样品的粒径在40~100 nm左右, 比表面积为79.8 m2/g; 700℃煅烧合成样品在电压2.5~4.2 V, 倍率为0.1C、1C、5C、10C、15C时的放电比容量分别达到156.5、134.9、105.8、90.3和80.9 mAh/g, 具有较好的倍率性能; 样品还表现出较好的容量保持率.

关键词: 控制结晶; LiFePO4/C; 纳米; 锂离子电池
中图分类号:TM912   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)04-0422-05
Synthesis of Nano FePO4 and Electrochemical Characterization of Composite Cathode Material LiFePO4/C
WU Yu-Ling, PU Wei-Hua, REN Jian-Guo, JIANG Chang-Yin, WAN Chun-Rong
Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 102201, China
Abstract

Nano FePO4·xH2O powders were synthesized by controlled crystallization method, using Fe(Ⅲ) compound as the iron source. The nano FePO4·xH2O powders were pretreated at 500℃ for 4 h in air to obtain nano FePO4 precursor. Then the olivine nano LiFePO4/C composites were obtained through carbonthermal reduction process at different temperatures. The structure, morphology, physicochemical properties and electrochemical properties of the nano FePO4·xH2O powder, FePO4 precursor and LiFePO4/C composites synthesized at different temperatures were characterized in detail by thermogravimetric/differential scanning calorimeter (TG/DSC), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area measurement and electrochemical measurement. The results show that the nano LiFePO4/C composite calcined at 700℃ for 10 h has fine particle sizes of about 40-100 nm .The BET test shows that the as-prepared nano LiFePO4/C composite has great specific surface area of 79.8 m2/g. The nano LiFePO4/C composite cathode material can deliver an initial discharge capacity of 156.5, 134.9, 105.8, 90.3 and 80.9 mAh/g in the voltage range of 2.5-4.2 V, at rate of 0.1C, 1C, 5C, 10C and 15C respectively, which exhibits good rate performance. The nano LiFePO4/C composite also demonstrates excellent cyclic performance.

Keyword: controlled crystallization method; LiFePO4/C; nano; lithium ion battery

自Goodenough小组[ 1]首次报道LiFePO4可以作为锂离子电池正极材料以来, 因其循环性能和热稳定性明显优于其它正极材料, 一直被认为是极具前景的动力锂离子电池正极材料[ 2, 3, 4, 5, 6]. 但是LiFePO4是绝缘体, 其极低的电子电导率(10-9~10-10 S/cm)和锂离子扩散速率(1.8×10-14 cm2/S)[ 7, 8]极大地限制其电化学性能发挥, 导致其首次充放电效率及倍率性能较差, 严重制约其在动力锂离子电池中的大规模应用. 目前, 商用LiFePO4一般为微米级, 合成方法主要是固相高温合成, 并通过掺杂、包覆等工艺提高材料的电导率以提高倍率性能[ 9, 10], 但效果并不理想. 近期研究表明, 合成纳米级的LiFePO4可以缩短Li+的扩散距离, 提高材料的锂离子电导率和材料利用率[ 3, 11, 12, 13], 从而有效提高其倍率性能.

合成纳米级LiFePO4的方法主要有溶胶-凝胶 法[ 14, 15]、水热法[ 16]、机械球磨法[ 17]、共沉淀法[ 18, 19]、碳热还原法[ 20, 21]以及微波合成法[ 22]等. 控制结晶工艺是本实验室经过十多年研究实践摸索出的独特技术[ 23], 该技术主要用于合成微米级、高密度球形正极材料前驱体[ 24, 25, 26], 该技术易于控制, 也易于工业化. 本工作以廉价的Fe3+为铁源, 首先采用固液相控制结晶技术合成出纳米级FePO4· xH2O, 然后用碳热还原法通过控制其锂化过程进一步合成出纳米级LiFePO4/C复合材料, 并对其倍率性能进行详细研究.

1 实验
1.1 材料制备

1.1.1 控制结晶技术合成纳米FePO4

分别将Fe(NO)3、H3PO4混合溶液和NH3·H2O溶液用蠕动泵连续输入控制结晶反应器中, 反应液在充满反应器后自然溢流排出. 由于FePO4· xH2O晶体成核和长大的速度非常快, 并且晶体成核的速度大于晶体长大的速度, 需要严格控制反应体系的温度、pH值、固液比、反应液的浓度、进料速度及流体力学条件, 缩短反应时间, 强化搅拌强度, 抑制FePO4· xH2O的团聚和长大, 从而获得纳米级的FePO4·  xH2O. 溢流出的反应液先经固液分离、洗涤、干燥等处理后转移至马弗炉中, 在500℃热处理4 h脱水后得到纳米FePO4前驱体.

1.1.2 碳热还原合成纳米LiFePO4/C

将上述所制备的纳米FePO4前驱体与蔗糖水溶液搅拌成泥浆状, 使蔗糖均匀覆盖在FePO4粉末的表面, 加入化学计量比的Li2CO3及适量乙醇研磨均匀后( n(Li): n(Fe): n(C)=1.0:1.0:1.2), 置入程序控温管式炉中, 在高纯N2 (99.999%)保护下, 分别在600℃、700℃、800℃热处理10 h, 通过碳热还原反应, Fe3+被还原为Fe2+, 剩余的碳包覆以及分布在LiFePO4周围, 得到纳米LiFePO4/C复合粉体, 分别标记为S600、S700、S800. 先用重铬酸钾滴定法测定样品中铁的含量, 然后计算得到各样品包覆的碳含量分别为5.41%、5.16%、4.78%.

1.2 组装实验电池

以所合成的纳米LiFePO4/C复合粉体为正极活性物质、乙炔黑为导电剂, 聚四氟乙烯(PTFE)溶液为粘合剂, 按质量比8:1:1的比例混合均匀, 用压片机压成厚度约为0.6 mm的薄片, 裁剪成φ6 mm的圆片后, 在120℃的真空干燥箱内干燥24 h作为工作电极, 以金属锂片作为负极, Celgard2400微孔聚丙烯膜为隔膜, 1 mol/L 的LiPF6/(EC+DEC)(体积比1:1)为电解液, 在充满干燥氩气(湿度<5×10-6)的手套箱内组装成实验电池.

1.3 性能表征

TG/DSC分析采用NETZSCH热分析仪, 温度范围为室温至1000℃, 升温速率为10 ℃/min; 用X射线衍射仪(D/max-rB, 日本理学)对前驱体FePO4及LiFePO4/C进行物相分析; 用扫描电镜(S5500, Hitachi)观察样品的微观形貌; 用比表面测试仪(SSA-4200, Builder)测定样品的比表面积; 用LAND电池测试系统(武汉兰电电子有限公司)对实验电池进行恒流充放电循环测试, 测试条件为: 室温, 2.5~4.2 V, 以0.1 C、1 C、5 C、10 C和15 C恒流充放电.

2 结果与讨论
2.1 热分析

图1为FePO4· xH2O在氩气气氛下, 以10 ℃/min速度升温的TG/DSC分析曲线. 从图1中可以看出, FePO4· xH2O从室温至1000℃大体经过三个反应过程: (1)100℃时TG曲线出现失重拐点, 100~200℃时样品快速失重, DSC曲线呈现向上吸热峰, 这一吸热峰对应FePO4· xH2O的失水过程[ 10], 通过TG/DSC数据计算得出 x=2.06; (2)330℃附近出现放热峰及快速失重, 此处应为FePO4· xH2O沉淀过程中夹带出的NO3-、NH4+分解; (3)在550℃和700℃左右分别出现放热峰, 且期间没有质量损失, 这分别对应磷酸铁从无定型转变为α晶型、从α晶型转变为β晶型的两个过程[ 27]. 从TG曲线可以看出, 500℃以后TG线变化平缓, 基本没有质量损失, 可以认为FePO4· xH2O在500℃时已完全失水.

图1 FePO4· xH2O的TG/DSC曲线Fig. 1 TG/DSC curves of FePO4· xH2O

2.2 XRD分析

图2是FePO4· xH2O及不同烧结温度合成的LiFePO4/C的XRD图谱. 可见, 采用控制结晶合成的FePO4· xH2O为无定形, 经不同温度煅烧的LiFePO4/C复合粉体图谱与橄榄石结构、正交晶系的LiFePO4的XRD图谱(JCPDS81-1173)一致, 煅烧温度不同时, 材料的衍射峰数以及衍射峰的位置基本相同, 各合成产物的衍射峰峰形尖锐, 无任何杂相存在, 表明在实验条件下合成出了晶格完整、结晶程度较高的LiFePO4. 随着煅烧温度的升高, 衍射峰的强度明显增强, 表明煅烧时间的延长可以提高材料的结晶度. 各样品的衍射峰中不存在碳的衍射峰, 说明在合成样品过程中加入的蔗糖并没有影响样品的物相结构.

图2 纳米FePO4· xH2O及不同温度煅烧的纳米LiFePO4/C粉体的XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of nano FePO4· xH2O and LiFePO4/C composites calcined at different temperatures(a) FePO4· xH2O; (b) S600; (c) S700; (d) S800

2.3 SEM形貌分析

图3是FePO4前驱体及纳米LiFePO4/C粉体的SEM照片. 从图3中可以看出, FePO4前驱体的颗粒粒径在30~50 nm, 粒径均匀, 且粒度分布范围较窄.LiFePO4/C样品的颗粒粒径比前驱体的颗粒粒径有所增大, 且随煅烧温度的升高, 粒径也有明显增大, S600的颗粒粒径在40~70  nm, S700的颗粒粒径在40~100 nm, 而S800的颗粒粒径均大于100 nm, 粒度明显增大. 这是因为随着煅烧温度的升高, 晶体在不断地生长和完善, 因此颗粒粒径有所增大, 这与上面XRD图谱分析中, 样品峰形窄且尖锐相对应.从SEM照片可以看到, LiFePO4周围分布着反应剩余的碳, 这一方面将有利于提高材料的电子电导率, 另一方面部分碳的存在一定程度上限制了LiFePO4颗粒的持续生长和团聚. 经测试, FePO4前驱体、S600、S700和S800样品的比表面积分别为105.7、84.3、79.8和59.2 m2/g, 较大的比表面积有助于活性物质与电解液的充分接触, 从而有助于锂离子在活性物质与电解液间的传输.

图3 FePO4前驱体及不同温度煅烧所得LiFePO4/C粉体的SEM照片Fig. 3 SEM images of nano-FePO4 precursor and LiFePO4/C composites calcined at different temperatures(a) FePO4; (b) S600; (c) S700; (d) S800

2.4 电化学性能测试

图4为不同温度下煅烧合成纳米LiFePO4/C粉体在不同充放电倍率下循环性能曲线, 从图中可以看出, 低倍率时, 随着煅烧合成温度的降低, 放电比容量也有所降低, S800在0.1 C倍率下放电比容量最高, S700次之, S600最差, 这与前面的物相分析相一致, 结晶度较高的样品其小倍率放电比容量也更高. 但是S700的倍率性能却明显优于S800和S600, 这是由于虽然S800结晶最完美, 但是其颗粒较大, 锂离子的扩散路径变长, 因此大倍率时锂离子扩散速率降低, 颗粒中心附近的活性物质得不到有效利用, 导致其倍率性能降低; 而S600的结晶度最差, 其在小倍率时放电比容量最低, 但是由于其颗粒细小, 大倍率时锂离子的扩散速率较高, 因此它在15 C倍率下放电比容量超过S800; S700具有较高的结晶度, 且其颗粒粒径也较小, 表现出优越的倍率性能, 这与前面的物相分析及形貌分析是一致的, 说明材料的结晶度及颗粒粒径对材料的倍率性能具有显著影响. 从图4还可以看出, 在0.1 C倍率下经过5次充放电循环后, 又依次在1 C、5 C、10 C、15 C倍率下分别经过10次充放电循环后, 各样品都保持了较高的容量保持率. 表1列出了不同温度下煅烧合成纳米LiFePO4/C粉体在不同倍率下的放电比容量.

图4 不同温度下煅烧合成纳米LiFePO4/C样品在不同倍率下循环性能曲线Fig. 4 Cycle performance of the nano LiFePO4/C composites at different rates

表1 不同温度下煅烧合成纳米LiFePO4/C样品在不同倍率下的放电比容量 Table 1 Specific discharge capacity of nano LiFePO4/C composites at different rates

图5是S700样品在不同充放电倍率下的充放电曲线, 由图5可见, 随着放电倍率的增大, 样品的放电比容量逐渐减小, 放电电压平台降低, 当充放电倍率为0.1 C时, S700样品的首次放电比容量为156.5 mAh/g, 是理论容量的92.1%, 充放电效率为96.4%, 当充放电倍率为1 C、5 C、10 C、15 C时, 样品的放电比容量分别达到134.9、105.8、90.3和80.9 mAh/g, 表现出较好的倍率性能.同时还可以看出随着充放电倍率的增大, S700极化程度也相应增大.

图5 S700样品在不同充放电倍率下的充放电曲线Fig. 5 Charge-discharge curves of S700 sample at different rates

3 结论

以硝酸铁、磷酸、氨水为原料, 通过控制反应体系的固液比、反应液的浓度、进料速度、反应时间及反应温度等条件, 以控制结晶技术合成出纳米级FePO4· xH2O, 然后通过控制并优化其锂化过程, 以碳热还原法合成了纳米级LiFePO4/C正极材料.合成产物具有完整的橄榄石型LiFePO4晶体结构, 700℃煅烧10 h合成样品的颗粒粒径在40~100 nm范围内, 具有较大的比表面积. LiFePO4/C的纳米化有效地缩短了锂离子的扩散路径, 增大了锂离子扩散速率, 提高了活性物质的有效利用率. 700℃合成样品在0.1 C、1、5 C、10 C、15 C时的放电比容量分别达到156.5、134.9、105.8、90.3和80.9 mAh/g, 表现出较好的倍率性能和容量保持率.

利用控制结晶技术合成纳米FePO4· xH2O, 进而以碳热还原法合成纳米LiFePO4/C的工艺过程简单、易控制、成本低、效率高, 合成的样品表现出了较好的电化学性能, 但是其倍率性能还有待进一步提高, 本课题组将在下一步工作中进行深入研究.

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