[发明专利]一种碳包覆LiFePO4多孔正极及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种碳包覆LiFePO₄多孔正极及其制备方法，属锂离子电池技术领域。

背景技术：

锂离子电池具有比能量大、工作电压高、无记忆效应且对环境友好等优点，不仅在手机、相机、笔记本等小型电器中得到了广泛的应用，而且在电动车、卫星、战斗机等大型电动设备中的应用也备受青睐。在锂离子电池中，由于碳负极材料的比容量和循环性能均可达到较高水平(300mAh/g)，但正极材料的比容量较低(130mAh/g)，且又需要额外负担负极的不可逆容量损失，因此正极材料的研究与改进一直是锂离子电池研究的关键问题。LiFePO₄由于具有高安全性，循环性能好，环境友好等是目前主要的锂离子电池用正极材料之一，但其本身电导率较低(10^-9scm^-2)，锂离子扩散系数小(10^-14～10^-16cm²s^-1)而导致倍率性能差是限制其工业化应用的主要原因之一，特别是限制了其在大型电动设备中的应用。

近几年来，为了提高磷酸铁锂的倍率性能，科研人员做出了很大的努力，比如通过减小粒径尺寸，碳包覆或者制备LiFePO₄/C复合材料等。CN101913588A、CN101393982、CN101777648A、CN101428781、US7344659等通过降低LiFePO₄粉体颗粒粒径，合成纳米级LiFePO₄，使LiFePO₄的倍率性能大大提高。当材料尺寸降低时，比表面积一般会增大。这样可使电极的电流密度降低，减少电极的极化作用；同时可为锂离子迁移提供更多的通道，缩短迁移路径，降低扩散阻抗。但在实际应用中，减小粒径的同时并不能补偿其带来的负面影响，比如循环性能下降，振实密度降低以及生产成本增加等。CN101800311A、CN101339991、CN101567441、US11993925、US11267107、US12105895等通过在合成中加入不同碳源合成碳包覆LiFePO₄，不仅能够提高电导率，而且在LiFePO₄合成过程中可以控制晶粒生长，使粒径较小，从而提高其倍率性能。但通过掺杂导电剂以及碳包覆的方法不仅在提高倍率的的程度上有限，同时会导致LiFePO₄的振实密度降低，加工成本大大增高。

发明内容：

本发明的目的是提出一种碳包覆LiFePO₄多孔正极及其制备方法，通过对传统的LiFePO₄正极进行高温热处理使明胶原位碳化得到碳包覆LiFePO₄多孔正极，LiFePO₄以及乙炔黑分布均匀，极片呈多孔结构，明胶基碳均匀分布于LiFePO₄以及乙炔黑和集流体间，结构稳定。用于锂离子电池正极有利于电解液的浸润，提高极片的导电性能，进而提高锂离子电池的电化学性能，尤其是倍率性能。

本发明提供的一种碳包覆LiFePO₄多孔正极的制备方法，通过对以明胶为粘结剂的传统LiFePO₄正极(包括集流体，LiFePO₄颗粒、导电剂以及明胶粘结剂)进行高温热处理使明胶原位碳化的方法得到碳包覆LiFePO₄多孔正极。具体步骤和条件为：

将以明胶为粘结剂的LiFePO₄正极极片在氮气保护下逐渐升温至200～350℃，进行预碳化1.5～3h；再逐渐升温至400～600℃，并保持1～3h，进行碳化；然后在氮气保护下自然冷却至室温，得到碳包覆LiFePO₄多孔正极。

本发明上述方法中，所述的预碳化最佳温度为300℃。

本发明上述方法中，逐渐升温速率为2～10℃/min。

本发明上述以明胶为粘结剂的LiFePO₄正极极片的制备方法为现有技术，将LiFePO₄、乙炔黑和明胶溶液(质量浓度1～20％)按LiFePO₄、乙炔黑及明胶以70～85∶0～9∶6～20质量比混合，其中乙炔黑为选择性组分，经湿磨后，将混合后的粘稠物涂布于集流体铝箔上，于60～120℃真空干燥2～24h得到。