[发明专利]一种磷酸铁锂/碳纳米复合物及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸铁锂/碳纳米复合物及其制备方法与应用。

背景技术

作为新一代的绿色高能电池，锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小等诸多优点，已被广泛应用到笔记本电脑、移动电话、UPS等技术领域的能源储存与转换方面，在电动汽车和车用蓄电池等行业也有广阔的应用前景。与目前锂离子电池主要采用的正极材料LiCoO₂相比，1997年Goodenough等人发现具有橄榄石型的LiFePO₄也可作为正极材料，并且具有价格便宜、比容量高、环境友好和热稳定性高等诸多优点。因此，近年来LiFePO₄的研究受到了广泛的重视，被认为是极有应用潜力的锂离子电池正极材料。但仍存在下述两方面的不足：(1)LiFePO₄本身的电导率低，限制了其大电流充放电的性能(高倍率性能)；(2)Li⁺在LiFePO₄中的扩散系数低，扩散缓慢，限制了其活性材料的充分利用(高比容量特性)。上述两原因大大限制了LiFePO₄在电化学超级电容器上的应用。因此，通过材料结构设计，合成出具有优异的高倍率和高比容量性能的LiFePO₄，对锂离子电池和电化学超级电容器等储能器件的发展具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种磷酸铁锂/碳纳米复合物及其制备方法与应用。

本发明提供的磷酸铁锂/碳纳米复合物，由磷酸铁锂纳米颗粒和碳纳米颗粒原位复合而成；磷酸铁锂纳米颗粒均匀分散在由碳纳米颗粒组成的导电网络之中。

其中，磷酸铁锂占磷酸铁锂/碳纳米复合物的质量百分含量为20-99.99％，碳纳米颗粒占磷酸铁锂/碳纳米复合物的质量百分含量为0.01-80％。

上述磷酸铁锂/碳纳米复合物中，磷酸铁锂纳米颗粒的粒径为10nm-500nm，碳纳米颗粒的粒径为10-1000nm。

本发明提供的制备上述磷酸铁锂/碳纳米复合物的方法，包括如下步骤：

1)在pH值为0-7及搅拌条件下，将高分子胶化试剂、小分子胶化试剂、磷酸盐、锂盐和铁盐依次加入到水和/或乙二醇中，得到溶胶；

其中，高分子胶化试剂为聚氧丙烯聚氧乙烯嵌段型聚醚F127、P123或F108中的任意一种或其任意比例的混合物，优选为F127；小分子胶化试剂为柠檬酸或海藻酸，优选为柠檬酸；磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸氢铵或磷酸铵，优选为磷酸二氢铵；锂盐为氯化锂、硝酸锂、碳酸锂、硫酸锂或氢氧化锂，优选为氯化锂；铁盐为草酸亚铁、草酸亚铁铵、硫酸亚铁或硫酸亚铁铵，优选为草酸亚铁。

2)将步骤1)得到的溶胶凝胶化，得到干凝胶；

3)将步骤2)得到的干凝胶在非氧化气氛中热处理，得到本发明提供的磷酸铁锂/碳纳米复合物。

步骤1)中，高分子胶化试剂、小分子胶化试剂、磷酸盐、锂盐和铁盐的质量份数分别为0.01-60、0.01-40、10-30、2-15、15-45。各种常见的酸均可用于调节该混合液的pH值，优选为盐酸、硫酸或醋酸。另外，高分子和小分子胶化试剂既是形成溶胶的胶化试剂，又是形成磷酸铁锂/碳纳米复合物的碳源。

步骤2)中，凝胶化温度为40-100℃，凝胶化时间为4-14天。该步骤完成后，磷酸铁锂/碳纳米复合物中的碳源即与磷酸铁锂各种元素均匀混合。

步骤3)中，非氧化气氛为氮气、氩气、氢气或氦气中的一种或几种的任意组合，热处理的温度为400-900℃，热处理的时间为6-18小时，升降温速率为1-30℃/min。在该步骤中，由碳纳米颗粒组成的碳导电网络和磷酸铁锂同时生成，并原位复合在一起，从而得到本发明提供的磷酸铁锂/碳纳米复合物。

另外，本发明提供的磷酸铁锂/碳纳米复合物在制备锂离子电池的正极材料和电化学超级电容器的电极材料中的应用，也属于本发明的保护范围。