[发明专利]一种碳包覆的磷酸亚铁锂复合材料及其应用

说明书

（一）技术领域

本发明涉及一种碳包覆磷酸亚铁锂复合材料及其作为锂离子电池正极材料的应用。

（二）背景技术

锂离子电池是20世纪90年代初出现的新型绿色高能二次电池，已成为世界各国竞相研究开发的重点。正极材料是锂离子电池的一个重要组成部分，橄榄石结构的磷酸亚铁锂（LiFePO₄）正极材料具有原材料来源丰富、价格低廉、无环境污染、容量较高（理论容量为170mAh/g，能量密度为550Wh/Kg）、循环性能优良等特点、尤其是所制备的电池安全性能好等优点，使得其在各种电源领域，特别是对安全有特殊要求的如电动车和电动汽车所需的大型动力电源有着极大的应用前景，从而使磷酸铁锂成为最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料。

目前，实际应用的磷酸亚铁锂正极材料主要采用高温固相反应法制备，所用的铁源有Fe²⁺化合物（如草酸亚铁和醋酸亚铁等）和Fe³⁺化合物（如三氧化二铁、磷酸铁、硝酸铁和碱式氧化铁等）；磷源主要选自磷酸盐，如磷酸三铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铁等，以上原料价格贵，合成成本高。

（三）发明内容

本发明第一个目的是提供一种具有良好的导电性、可逆比容量和大电流放电能力且制备成本低的碳包覆的磷酸亚铁锂复合材料。

本发明第二个目的是将所述碳包覆的磷酸亚铁锂复合材料用作锂离子电池正极材料。

下面具体说明本发明的技术方案。

本发明提供了一种碳包覆的磷酸亚铁锂复合材料，所述碳包覆的磷酸亚铁锂复合材料中碳含量为1~20wt%，优选1~10wt%，其制备方法包括如下步骤：

（1）将铁粉和五氧化二磷按Fe:P摩尔比为1:(1~1.1)的比例混合，充分研磨使之混合均匀；

（2）在步骤（1）所得混合原料中掺入碳源，然后将所得混合物放入管式炉中，在还原性气氛下，升温至300~500℃烧结4~8小时，冷却得到碳包覆磷酸铁前驱体；

（3）将锂化合物与碳包覆磷酸铁前驱体按照Li：Fe的摩尔比为（0.95~1.05）:1混合均匀，在还原性气氛下升温至600~800℃烧结4~30小时，冷却后磨细得到碳包覆磷酸亚铁锂复合材料。

所述步骤（1）中，可采用常规方法使铁粉和五氧化二磷混合均匀，例如在球磨机上研磨混合5~20小时。通常，为使混合物达到充分混合的效果，可在研磨前加入适量酒精，酒精的加入体积以铁粉的摩尔数计一般为20~200mL/mol。

所述步骤（2）中，所述碳源优选为聚乙烯或聚丙烯或沥青，碳源可按照使得碳包覆的磷酸铁中碳含量为1~20wt%投料。所述的还原性气氛优选为体积比为5~9:1的N₂与H₂的混合气氛或体积比为5~9:1的Ar与H₂的混合气氛。

所述步骤（3）中，所述的锂化合物优选为氢氧化锂或碳酸锂。锂化合物和碳包覆磷酸铁前驱体可通过球磨的方式混合均匀，球磨时间推荐为5~20小时。所述的还原性气氛优选为体积比为5~9:1的N₂与H₂的混合气氛或体积比为5~9:1的Ar与H₂的混合气氛。优选的，将锂化合物与碳包覆磷酸铁前驱体混合均匀后，在还原性气氛下先升温至300~380℃预烧1~3小时，然后升温至600~800℃烧结4~30小时，加入预烧步骤可以使产物更均匀，性能更佳。

本发明具体推荐所述的碳包覆的磷酸亚铁锂复合材料按照如下步骤进行：

（1）将铁粉和五氧化二磷按Fe:P摩尔比为1:(1~1.1)的比例混合，并加入酒精，酒精的加入体积以铁粉的摩尔数计为20~200mL/mol，然后在球磨机上混合5~20小时，使之混合均匀；

（2）在步骤（1）所得混合原料中掺入聚乙烯或聚丙烯或沥青，然后将所得混合物放入管式炉中，在体积比为5~9:1的N₂与H₂的混合气氛或体积比为5~9:1的Ar与H₂的混合气氛下，升温至300~500℃烧结4~8小时，冷却得到碳包覆磷酸铁前驱体；