[发明专利]一种磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的制备方法。

背景技术

磷酸铁锂电池是近几年发展起来的一种新型动力电池，磷酸铁锂电池因其具有使用安全、循环寿命长、容量大、耐高温及环保等优点而成为近几年研究的热点。但磷酸铁锂的导电性差，锂离子扩散速度慢，高倍率充放电时实际比容量低，这些问题制约着磷酸铁锂产业化的发展。为提高磷酸铁锂电池的导电性及倍率性能，在锂离子电池电极极片的制作过程中，在正极材料中添加导电剂可以改善锂离子电池的电化学性能，虽然导电添加剂所占比例不大，但其结晶度、形态及添加量等对电池充放电性能影响极大。目前在磷酸铁锂里面添加的导电剂主要有乙炔黑、Supper P、碳纤维及碳纳米管，如在申请号为200910220007.3的中国专利申请中公开了在溶胶凝胶前驱体中加入碳纳米管，并在溶胶凝胶法提供活性颗粒碳包覆的基础上，通过碳纳米管改善颗粒与颗粒之间的接触，强化了碳的导电网络，从而改善锂离子电池的电化学性能。但是由于碳纳米管的导电性及比表面积有限，对降低电池的内阻、提高电池的倍率及提高电池的循环寿命作用有限。

石墨烯是近几年迅速兴起的一种新材料，它的结构可以理解为单层的石墨，因此具有极其优良的导电性，其电子的运动速度达到了1.0×10⁶ s/m，远大于碳纳米管的电导率1.0×10⁴ s/m，对于锂离子电池也存在良好的传导性能。而石墨烯独特的二维纳米层状结构以及巨大的比表面积等特性又使石墨烯相比于碳纳米颗粒或碳纳米线等在作为添加剂改性磷酸铁锂材料时具有更为突出的优势。目前在磷酸铁锂里面添加石墨烯材料主要是通过物理掺杂，即在磷酸铁锂里面直接添加石墨烯并制备出磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料，如在申请号为201010146161.3的中国专利申请中公开了一种在磷酸铁锂掺杂石墨烯的复合正极材料，其材料的导电性得到了提高。但是由于在磷酸铁锂中直接添加石墨烯极易造成石墨烯在磷酸铁锂中的分布不均匀，出现团聚等现象，因此采用目前的制备方法制得的磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料导电性能、倍率性能并不十分理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的制备方法，采用该方法制得的磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的导电性能和倍率性能显著提高。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备磷酸铁锂前驱体

按以下组分和质量百分比含量称量原料：催化剂1%-15%、锂盐5%-15%、铁盐40%-60%和磷酸盐25%-45%；所述的催化剂为铁、钴、镍中的一种或几种；所述的锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、硝酸锂和磷酸锂中的一种或几种；所述的铁盐为草酸亚铁、三氧化二铁、四氧化三铁和磷酸铁中的一种或几种；所述的磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸铵或磷酸氢二铵的一种或几种；将上述原料加入分散剂中，经球磨制得磷酸铁锂前驱体；所述分散剂为蒸馏水或无水乙醇；

（2）制备磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料

首先在所述磷酸铁锂前驱体上生长石墨烯：步骤（1）制得的磷酸铁锂前驱体经干燥后放入反应器中，向所述反应器中通入氮气或氢气，并加热使反应器内的温度达到500-1200℃，停止通入氮气或氢气，之后向所述反应器中通入碳源气体和氨气，在500-1200℃下保持20-60分钟，在磷酸铁锂前驱体表面生长石墨烯；在碳源气体中掺杂氨气的目的是改变碳源气体在磷酸铁锂前驱体表面的生长状况，以确保制备出片状的石墨烯材料；

之后关闭碳源气体和氨气，再向所述反应器中通入氢气，在通入氢气的过程中以10℃～20℃/分钟的速度将反应器内的温度调整到600~800℃，然后恒温24～48小时，之后反应器内所得产物再在氮气气氛下冷却至室温，即制得磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料；其中所述的碳源气体为甲烷气体、乙炔气体或乙炔与氩气的混合气体。

所述催化剂为超细粉体，其颗粒直径为1~200nm。超细粉体催化剂具有小颗粒及大比表面积的特点，因此超细粉体催化剂具有催化均匀、催化能力强及渗透性强等优点。

当所述分散剂为蒸馏水时，蒸馏水的质量:（催化剂质量+锂盐质量+铁盐质量+磷酸盐质量）=5:1；当所述分散剂为无水乙醇时，无水乙醇的质量:（催化剂质量+锂盐质量+铁盐质量+磷酸盐质量）=10:1。选择上述质量配比可以保证配制成的分散液分散均一、稳定。