一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,該磷酸鐵按照如下方法制備得到:(1)按摩爾比為1∶(2~2.5)將硫酸鐵和磷酸二氫銨分別溶于溶解量的蒸餾水中攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;(2)將步驟(1)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于375~425℃燒結(jié)9~12h,即得。本發(fā)明提供了一種鋰原電池正極材料FePO4,不會引入雜質(zhì)離子,電化學(xué)性能高,實(shí)用性好;合成過程中不使用絡(luò)合劑,如檸檬酸銨,制備工藝簡單;制得的鋰原電池電壓平臺平穩(wěn),電壓高,電壓可達(dá)3.5V。
【專利說明】一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,屬于鋰原電池材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]與其它原電池相比,鋰原電池具有十分明顯的優(yōu)勢,其工作電壓高,能量密度高,對環(huán)境的污染比較小,自放電率小,是便攜式電子產(chǎn)品的理想一次電源。
[0003]醫(yī)學(xué)儀器需要植入人體內(nèi)使用,例如人工心臟、人工耳蝸、神經(jīng)刺激器等,他們對電源的安全性、能量密度等要求較高,鋰原電池是新一代植入式醫(yī)學(xué)儀器電源的主要候選者。
[0004]鋰原電池正極材料有有機(jī)聚合物和二氧化錳,有機(jī)聚合物的生產(chǎn)工藝涉及到氟化合物,環(huán)境污染嚴(yán)重;Li/ 二氧化錳原電池的價格比較便宜,但是長時間放置后內(nèi)阻會增大。
[0005]磷酸鐵(FePO4)是現(xiàn)有的已經(jīng)商業(yè)化的化學(xué)品,有資料表明可以對它進(jìn)行簡單的熱處理后作為鋰離子電池正極使用,不過缺點(diǎn)是電化學(xué)性能比較差。中國專利文獻(xiàn)CN102403501A(申請?zhí)枮?201110377144.5)公開了一種鋰離子電池正極材料球形FePO4的制備方法,即以Fe (NO3) 3.9H20、NH4H2PO4和氨水為原料,以聚乙烯醇為分散劑采用共沉淀法結(jié)合噴霧干燥合成球形FePO4前驅(qū)體后在高溫管式爐中控制溫度為380?650°C進(jìn)行煅燒3?9h后即得到鋰離子電池正極材料球形FeP04。但是,上述方法使用了氨水、硝酸鐵等原料,氨水具有爆炸性,環(huán)境污染大,硝酸鹽的使用會引入對電池有害的硝酸根離子。報道的放電容量小于90mAh/g,不適合作為正極材料使用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0009](I)按摩爾比為1: (2?2.5)將硫酸鐵和磷酸二氫銨分別溶于溶解量的蒸餾水中攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0010](2)將步驟⑴得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于375?425°C燒結(jié)9?12 h,即得。
[0011]根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選的,步驟(I)中所述的硫酸鐵和磷酸二氫銨的摩爾比為1:(2?
2.2)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選的,步驟⑴中所述的硫酸鐵與蒸餾水的摩爾體積比為1:(8?12)mol/L。
[0013]根據(jù)本發(fā)明,優(yōu)選的,步驟(2)中所述的燒結(jié)溫度為390?410°C,更優(yōu)選400°C。
[0014]本發(fā)明上述鋰原電池正極材料磷酸鐵用于制備植入式醫(yī)學(xué)儀器用的鋰原電池。
[0015]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用的鋰原電池,用上述方法制備得到的磷酸鐵(FePO4)制得正極材料作為正極,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0mol/L的LiC104/PC (高氯酸鋰/碳酸丙烯酯)作為電解液,制成扣式電池。
[0016]本發(fā)明磷酸鐵的制備方法中,溫度太高會引起產(chǎn)物顆粒過大,結(jié)晶過于完整。溫度過低會導(dǎo)致無定型態(tài)產(chǎn)物的形成。前者不利于放電過程中鋰離子的嵌入,后者則會完全失去電化學(xué)活性。在400度左右制備的產(chǎn)物,結(jié)晶開始形成但是顆粒又不是很大,兼顧了電化學(xué)活性與鋰離子傳輸特性,從而保證材料的放電性能。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018]1、本發(fā)明得到的鋰原電池正極材料FePO4,不會引入雜質(zhì)離子,電化學(xué)性能高,實(shí)用性好。
[0019]2、本發(fā)明鋰原電池正極材料FePO4合成過程中不使用絡(luò)合劑,如檸檬酸銨,制備工藝簡單。由本發(fā)明提供的鋰原電池正極材料FePO4制得的鋰原電池電壓平臺平穩(wěn),電壓高,電壓可達(dá)3.5V。
[0020]3、本發(fā)明提供的鋰原電池放電容量高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021 ] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的磷酸鐵的XRD圖。
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的扣式電池的放電圖。
[0023]圖3為本發(fā)明對比例I制備得到的扣式電池的放電圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明,但不限于此。
[0025]實(shí)施例1
[0026]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0027](I)將0.0lmol硫酸鐵和0.02mol磷酸二氫銨分別溶于80ml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0028](2)將步驟(I)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于400°C燒結(jié)9h,即得。
[0029]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為160mAh/g以上,在0.0OlC倍率下放電容量接近理論容量,169mAh/g,放電10%和放電90%時,電壓差不大于0.1V,放電電壓平穩(wěn)。
[0030]雜質(zhì)檢測:
[0031]將本實(shí)施例制備得到的磷酸鐵進(jìn)行雜質(zhì)檢測試驗,未發(fā)現(xiàn)任何雜質(zhì)。
[0032]將本實(shí)施例制備的磷酸鐵進(jìn)行X射線衍射分析,如圖1所示,由圖1可知,材料結(jié)晶已經(jīng)開始,但是還不是很完全,這符合本專利的目的,即:要求結(jié)晶的同時有要求不能結(jié)晶太完美,既保證有電化學(xué)活性又保證鋰離子傳輸?shù)膬?yōu)良特性。
[0033]將本實(shí)施例制備的扣式電池測試放電性能,結(jié)果如圖2所示。
[0034]對比例I
[0035]按中國專利文獻(xiàn)CN102403501A(申請?zhí)枮?201110377144.5)實(shí)施例1公開的方法制備鋰離子電池正極材料球形FeP04。
[0036]雜質(zhì)檢測:
[0037]將本對比例得到的磷酸鐵進(jìn)行雜質(zhì)檢測試驗,未發(fā)現(xiàn)可檢測的雜質(zhì)。
[0038]本對比例得到的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并測試放電性能曲線,如圖3所示。
[0039]對比實(shí)施例1和對比例I的雜質(zhì)檢測結(jié)果可知:對比例的容量遠(yuǎn)小于本實(shí)施例的容量,體現(xiàn)了本發(fā)明制備的材料的容量上的優(yōu)越性。
[0040]實(shí)施例2
[0041]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0042](I)將0.0lmol硫酸鐵和0.021mol磷酸二氫銨分別溶于90ml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0043](2)將步驟(I)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于375°C燒結(jié)10h,即得。
[0044]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為150mAh/g以上,在0.0OlC倍率下放電容量為151mAh/g。放電10%和放電90%時,電壓差為0.19V。
[0045]實(shí)施例3
[0046]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0047](I)將0.0lmol硫酸鐵和0.022mol磷酸二氫銨分別溶于10ml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0048](2)將步驟(I)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于390°C燒結(jié)12h,即得。
[0049]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為153.5mAh/g,在0.0OlC倍率下放電容量為157.3mAh/g。放電10%和放電90%時,電壓差為0.15V
[0050]實(shí)施例4
[0051]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0052](I)將0.0lmol硫酸鐵和0.023mol磷酸二氫銨分別溶于IlOml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0053](2)將步驟(I)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于410°C燒結(jié)9h,即得。
[0054]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為152.3mAh/g,在0.0OlC倍率下放電容量為157.2mAh/g。放電10%和放電90%時,電壓差為0.12V。
[0055]實(shí)施例5
[0056]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0057](I)將0.0lmol硫酸鐵和0.024mol磷酸二氫銨分別溶于115ml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0058](2)將步驟(I)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于425°C燒結(jié)10h,即得。
[0059]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為14911^11/^,在0.001(:倍率下放電容量為152.8mAh/g。放電10%和放電90%時,電壓差為0.19V。
[0060]實(shí)施例6
[0061]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0062](I)將0.0lmol硫酸鐵和0.021磷酸二氫銨分別溶于10ml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0063](2)將步驟(I)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于405°C燒結(jié)9h,即得。
[0064]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為159.1mAh/g,在0.0OlC倍率下放電容量接近理論容量,167.9mAh/g。放電10%和放電90%時,電壓差不大于0.1lV0
[0065]實(shí)施例7
[0066]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0067](I)將0.0lmol硫酸鐵和0.022mol磷酸二氫銨分別溶于10ml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0068](2)將步驟⑴得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于395°C燒結(jié)12h,即得。
[0069]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為159mAh/g以上,在0.0OlC倍率下放電容量接近理論容量,168mAh/g。放電10%和放電90%時,電壓差不大于0.1V。
[0070]實(shí)施例8
[0071]一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下:
[0072](I)按摩爾比為1:2將0.0lmol硫酸鐵和0.02mol磷酸二氫銨分別溶于80ml的蒸餾水中,攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物;
[0073](2)將步驟⑴得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于415°C燒結(jié)llh,即得。
[0074]以上述制備的FePOJt為正極材料,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0M LiC104/PC作為電解液,制備扣式電池并進(jìn)行放電測試。在0.0lC倍率下放電容量為15211^11/^,在0.001(:倍率下放電容量為154mAh/g。放電10%和放電90%時,電壓差為0.12V。
【權(quán)利要求】
1.一種植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,步驟如下: (1)按摩爾比為1: (2?2.5)將硫酸鐵和磷酸二氫銨分別溶于溶解量的蒸餾水中攪拌反應(yīng)完全,過濾,得沉淀物; (2)將步驟(I)得到的沉淀物用蒸餾水洗滌,于375?425°C燒結(jié)9?12h,即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,其特征在于,步驟(I)中所述的硫酸鐵和磷酸二氫銨的摩爾比為1: (2?2.2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,其特征在于,步驟(I)中所述的硫酸鐵與蒸餾水的摩爾體積比為1:(8?12)mol/L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,其特征在于,步驟(2)中所述的燒結(jié)溫度為390?410°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式醫(yī)學(xué)儀器用鋰原電池正極材料磷酸鐵的制備方法,其特征在于,步驟(2)中所述的燒結(jié)溫度為400°C。
6.權(quán)利要求1-5任一項所述的方法制得的磷酸鐵用于制備植入式醫(yī)學(xué)儀器用的鋰原電池。
7.—種植入式醫(yī)學(xué)儀器用的鋰原電池,用權(quán)利要求1-5任一項所述方法制備得到的磷酸鐵制得正極材料作為正極,以金屬鋰作為負(fù)極,以1.0mol/L的LiC104/PC作為電解液,制成扣式電池。
【文檔編號】H01M4/58GK104201382SQ201410461832
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】耿海龍, 王振偉, 胡博 申請人:山東齊星新材料科技有限公司