[发明专利]一种掺杂碳纳米材料球形磷酸铁及球形磷酸铁锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸铁及磷酸铁锂的制备方法。

背景技术

锂离子电池因其电压平台高、能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等优势，逐渐成为镍氢、镍镉、铅酸等电池的替代品，并被广泛应用在日常生活、工业、军事等多种领域。

目前锂离子电池最常用的正极材料是钴酸锂。但是，钴酸锂具有成本高、安全性差、寿命短、毒性高等多种缺点，在电动车等领域应用存在严重问题。因此，找到一种可替代钴酸锂的锂离子电池正极材料一直是国内外研究的热点。

磷酸铁和磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料，因其能量密度高、安全性能好、放电平台稳定、循环性能优异以及低成本、环境友好等优点，目前已经成为替代钴酸锂正极材料的理想选择之一。但是，现有磷酸铁和磷酸铁锂的正极材料存在导电性差，不适宜大电流放电。而且，磷酸铁和磷酸铁锂材料的正极材料振实密度低，影响材料的体积比能量。因此现有磷酸铁和磷酸铁锂的正极材料存在导电性差、振实密度低的问题。

发明内容

本发明要解决现有磷酸铁和磷酸铁锂作为正极材料存在导电性差，且振实密度低的问题，而提供一种掺杂碳纳米材料球形磷酸铁及球形磷酸铁锂的制备方法、

一种掺杂碳纳米材料球形磷酸铁的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、配置原料：①采用可溶性铁盐溶解到去离子水中，配置成浓度为0.01mol/L～5mol/L的铁盐溶液，②采用可溶性磷酸盐溶解到去离子水中，配置成浓度为0.01mol/L～5mol/L的磷酸盐溶液，③将碳纳米材料均匀分散为去离子水中，配置成浓度为0.1g/L～10g/L的碳纳米复合材料悬浮液，④采用去离子水为溶剂将碱试剂配置成浓度为0.01mol/L～5mol/L的碱溶液；二、混合：首先将步骤一①制备的浓度为0.01mol/L～5mol/L的铁盐溶液和步骤一②制备的浓度为0.01mol/L～5mol/L的磷酸盐溶液混合并搅拌均匀，然后加入步骤一③制备的浓度为0.1g/L～10g/L的碳纳米材料悬浮液，继续搅拌至混合均匀，最后逐滴加入步骤一④制备的浓度为0.01mol/L～5mol/L的碱溶液，将最终得到的混合溶液的pH调节至0.1～7，即得到混合物；三、水热反应：在温度为100℃～300℃下将步骤二制备的混合物进行密封水热反应，反应时间为3h～25h，然后依次经过过滤和洗涤即得到深绿色掺杂碳纳米材料的无定型球形磷酸铁；四、烘干、烧结：首先将步骤三制备的深绿色掺杂碳纳米材料的无定型球形磷酸铁在温度为60℃～90℃下真空烘干至恒重，然后在温度为400℃～600℃、惰性气体保护下烧结为3h～25h，即得到掺杂碳纳米材料球形磷酸铁；步骤二中所述的步骤一①制备的浓度为0.01mol/L～5mol/L的铁盐溶液中Fe³⁺离子与步骤一②制备的浓度为0.01mol/L～5mol/L的磷酸盐溶液中P0₄^3-离子的摩尔比为1∶1；步骤二所述加入步骤一③制备的浓度为0.1g/L～10g/L的碳纳米材料悬浮液中C原子与步骤一①制备的浓度为0.01mol/L～5mol/L的铁盐溶液中Fe³⁺离子的摩尔比为(0.05～5)∶1。

一种掺杂碳纳米材料球形磷酸铁锂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：在500℃～800℃的惰性气体保护下将上述制备的掺杂碳纳米材料球形磷酸铁同锂源和碳源烧结5h～25h，即得到掺杂碳纳米材料球形磷酸铁锂；所述的掺杂碳纳米材料球形磷酸铁中FePO₄与锂源中Li¹⁺的摩尔比为1∶(1～1.1)；所述的掺杂碳纳米材料球形磷酸铁中FePO₄与碳源中C原子的摩尔比为1∶(0.05～5)。

本发明的优点：一、采用本发明制备的掺杂碳纳米材料球形磷酸铁作为正极材料在室温下0.1C放电容量与目前工业生产磷酸铁作为正极材料室温下0.1C放电容量相比提高了20mAh/g～50mAh/g；二、本发明制备的掺杂碳纳米材料球形磷酸铁的振实密度与目前工业生产磷酸铁的振实密度相比提高了0.6g/cm³～1.3g/cm³；三、采用本发明制备的掺杂碳纳米材料球形磷酸铁锂作为正极材料在室温下1C与目前工业生产磷酸铁锂作为正极材料室温下1C放电容量相比提高了30mAh/g～40mAh/g；四、本发明制备的掺杂碳纳米材料球形磷酸铁锂的振实密度与目前工业生产磷酸铁的振实密度相比提高了0.4g/cm³～0.8g/cm³。

附图说明