[发明专利]一种多孔碳原位复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，特别涉及一种多孔碳原位复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法。

背景技术

能源是整个世界发展和经济增长最基本的动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，过去传统的化石燃料（煤炭、石油、天然气）已经无法满足人类逐年增长的能源需求。为了实现整个社会的可持续发展，探索和开发可替代化石燃料并具备高效、清洁、安全、经济等特点的可再生能源成为新世纪能源材料及能源技术发展的战略目标。作为一种新型的能源产品，锂离子二次电池因具有放电电压高、比能量和比功率高、循环寿命长以及环境污染小的突出特点，受到科学研究和工业生产的双重青睐，被广泛运用于移动通信设备、笔记本电脑、仪器仪表等领域，随着这些年锂离子电池的迅猛发展，未来将作为动力能源在电动汽车和混合动力汽车上不断扩展。

目前的锂离子二次电池体系中，正极材料的比容量大小将决定电池的容量，同时也是限制锂电池电化学性能提高、生产成本下降的关键因素。早期的LiCoO₂、LiNiO₂正极材料受到成本、安全性和环境污染等问题的制约，难以成为绿色能源材料的典型代表；层状LiMnO₂和尖晶石LiMn₂O₄则因结构畸变会导致容量的迅速衰减，材料的高温循环稳定性差，不适合运用在动力电池领域。而聚阴离子型Fe系化合物LiFePO₄具有原材料资源丰富、无毒、环境兼容性好、理论比容量高(170mAh/g)，循环性能优良、热稳定性能突出等优点有望成为新一代锂离子电池正极材料。

磷酸铁锂本身的结构缺陷导致其电子电导率低、锂离子扩散速率慢，因而材料在大电流充放时比容量低，循环稳定性差。研究发现，通过碳包覆、颗粒纳米化以及体相掺杂等技术手段可以改善磷酸铁锂材料的高倍率放电性能。其中，运用最为广泛的是碳包覆技术，传统碳包覆中的碳多数是无定形碳，其本身的形貌以及分布都无法控制，难以实现对磷酸铁锂颗粒的“均匀包覆”，导致LiFePO₄/C复合材料的振实密度和体积能量密度下降，电化学性能不稳定。

多孔碳的优势在于：

(1) 与单质碳（石墨、乙炔黑、Super-p等）和有机碳（蔗糖、葡萄糖、淀粉等）相比，多孔碳在制备时经过1500~2000℃的高温处理，石墨化程度高，导电性更好。

(2) 多孔碳本身的形貌已定，通过原位包覆可以将大部分磷酸铁锂颗粒限制在碳孔内，磷酸铁锂的颗粒尺寸将由碳孔的孔径决定，因此得到的复合正极材料颗粒尺寸小且均匀性好。

(3) 多孔碳的碳壁确保了对磷酸铁锂的“均匀包覆”而且还能大幅度提高活性材料与电解液的接触性。

目前中国的公开专利中还没有多孔碳原位包覆磷酸铁锂复合正极材料的记录。商业上最为常用的固相法是将锂源、铁源、磷源混合球磨处理再在保护气氛下烧结而成，由于无法对原材料的形貌、尺寸有更高要求，再加上固/固相反应界面小，因而合成周期长、能耗高，得到的磷酸铁锂尺寸分布不均匀，颗粒大小难以控制，且纯度较低，很难有较高的电化学性能（见中国专利公开号：CN1767238）。

专利CN101834288 A所公开的磷酸铁锂/纳米碳复合材料，缺少对纳米碳形貌及分布的证明，专利描述的复合产物是在磷酸铁锂颗粒上原位生长纳米碳，纳米碳对颗粒尺寸的影响较低，仅仅满足复合而达不到“均匀包覆”的效果，另外，磷酸铁锂颗粒间相互团聚。这些难以解决的缺点都限制了材料电化学性能的进一步提高。

发明内容

本发明针对合成的磷酸铁锂颗粒尺寸大、分布广、团聚严重的问题，提供了一种新型的多孔碳原位复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法。利用多孔碳的孔径尺寸来限制磷酸铁锂的颗粒大小，确保磷酸铁锂颗粒尺寸均一；碳壁将磷酸铁锂颗粒相互分隔，减少颗粒间的相互团聚，由此改善磷酸铁锂的充放电性能以及循环性能。

本发明的技术方案是：一种多孔碳原位复合磷酸铁锂正极材料，其组分以质量分数计：多孔碳占0.5~15%，磷酸铁锂占85~99.5%，其余为有机碳源热解后的残留碳，占0~10%。

本发明的另一目的是上述多孔碳原位复合磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体制备过程如下：

(1) 多孔碳的分散：称取一定量的孔径为5~200nm的多孔碳，将其放入1~10L的溶剂中，强力搅拌2~8h后，超声分散0.5~10h，最终得到多孔碳的悬浮液,备用；