[发明专利]含氮导电膜包覆LiFePO4材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，特别涉及含氮导电高分子包覆LiFePO₄材料，利用温控微波反应制备含氮导电碳膜包覆的LiFePO₄的方法。

背景技术

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，而且具有很低的自放电率、不含有毒物质等优点是它广泛应用的重要原因。目前锂离子电池由于使用LiCoO₂作为正极材料，相对来说比较昂贵。

自从1997年Padhi等开创性的提出锂离子电池正极材料LiFePO₄以来，LiFePO₄已经成为可充电锂离子电池正极材料的研究热点之一。相对于其它锂离子电池正极备选材料，LiFePO₄具有自身的优点：(1)相对较高的理论容量(170mAh/g)，平稳的充放电电压平台使有机电解质在电池应用中更为安全；(2)很好的电极反应可逆性；(3)良好的化学稳定性与热稳定性；(4)廉价且易于制备；(5)无污染；(6)处理与操作时更为安全。

传统的观点认为，LiFePO₄在电池中充放电时是两相反应：

充电(脱锂)：LiFePO₄-xLi⁺-xe^-→xFePO₄+(1-x)LiFePO₄

放电(嵌锂)：FePO₄+xe+xLi⁺→xLiFePO₄+(1-x)FePO₄

 电时，Li⁺从FeO₆层迁移出来，经过电解液进入负极，Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，电子则经过相互接触的导电剂和集流体从外电路到达负极；放电过程则与之相反。

锂离子电池在充放电过程中，锂离子脱/嵌过程是在LiFePO₄/FePO₄两相界面的脱/嵌过程。充电时，两相界面不断向内核推进，外层的LiFePO₄不断转变为FePO₄，锂离子和电子不断通过新形成的两相界面以维持有效电流，但锂离子的扩散速率在一定条件下是常数，随着两相界面的缩小，锂离子的扩散量最终将不足以维持有效电流，这样，大颗粒内核部分的LiFePO₄将不能被充分利用，从而造成容量损失。

有报道利用聚丙烯树脂与LiOH和FePO₄反应合成碳包覆LiFePO₄的合成方法(JournalofThe Electrochemical Society，152(2005)A483-A487)，可提高LiFePO₄电极的电化学反应动力学，提高LiFePO₄电极寿命。但该方法将LiOH和FePO₄混合需要球磨2小时，且需在高温下热处理10小时，并不适用工业化生产LiFePO₄。

锂离子电池的容量是正极容量限定，锂离子电池的容量取决于正极容量。传统的LiFePO₄制备工艺采用干粉混合，要在高温下热处理10小时。由于干粉混合容易造成成分不均匀，且加热不均匀或热传导不均匀，最终都会导致产品质量问题，从而影响锂离子电池的容量和循环寿命，而且LiFePO₄的传统工艺生产周期也较长。传统电加热依靠外加热将热量通过热传导方式使料床温度升高，由于FePO4和LiOH导热性差，容易产生反应床的温度分布不均匀而导致的反应速度不均衡，造成LiFePO₄晶体生长速度不统一，难以控制LiFePO₄晶体的形状和大小。