[发明专利]复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种电极材料及其制备方法，尤其涉及一种复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料及其制备方法。

背景技术

LiFePO₄ 具有成本低、资源丰富以及结构稳定性和热稳定性高等优点，但常温下LiFePO₄ 的动力学特性不好，倍率性能极差，极大地限制了该材料在实际中的应用 。纯磷酸亚铁锂与传统的正极材料LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiMnO₂ 等相比，具有极低的电子电导率和离子扩散速率，在高电流密度下充放电容量很低，只能在极小电流密度下充放电，大大限制了在实际中的应用。因此，提高磷酸亚铁锂的电子导电性成为磷酸亚铁锂正极材料的一个研究关键。为了提高电导率和缩短离子、电子的传输路径，改善倍率性能，人们采用了诸如包覆、掺杂、纳米化等方法对其进行了改性。

现有技术所提出在材料表面包覆一层导电层来提高电子导电率，在聚合物电池中80℃和1C 倍率下可逆容量达到160 mAh/g。Chiang Yet-Ming 研究小组通过异价元素(Mg, Al, Zr, Ti, Nb, W) 对LiFePO₄ 中的Li 进行替代来提高材料的电子电导率。结果表明掺杂后的材料电导率可以提高8个数量级，充放电倍率为C/10 时，容量可以达到150mAh/g，当倍率为40C 时依然保持60 mAh/g 的容量，并且经过60 周循环容量几乎没有衰减，表现出优良的电化学性能。

碳纳米管是20世纪90 年代发现的一种新型碳结构，为一中空管状结构，管壁为一层或数层石墨烯卷曲而成的管状结构。碳纳米管的这种结构具有优异的电子、机械、力学、光学、热学和储能性能，因而在多个领域具有潜在的广泛应用。

发明内容

 本发明的目的是为了克服现有磷酸铁锂材料作为二次锂电池的正极材料时倍率特性差，且制成极片密度低的缺点，从而提供一种复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料，其中：包括有全覆盖碳层的纳米LiFePO₄，所述全覆盖碳层的纳米LiFePO₄的外表面部分覆盖有碳纳米管阵列。

上述的复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料，其中：所述的全覆盖碳层的纳米LiFePO₄厚度为1-10 nm，所述碳纳米管阵列度为个0.1-0.5μm。

复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料的制备方法，其包括以下步骤：首先制备前驱体LiFePO₄；之后，制备全覆盖碳层的纳米LiFePO₄；最后，制备复合碳纳米阵列包覆磷酸铁锂。

上述的复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料的制备方法，其中：所述的前驱体LiFePO₄制备过程为，步骤①，称取Li₂CO₃、Fe₂O₃、NH₄H₂PO₄ 和C₆H₈O₇ 放入到溶剂中，采用超细研磨机纳米化处理，烘干后粉碎得到纳米混合物。步骤②，将混合物在纯度为5%的还原气氛保护下进行低温预烧，从室温升温至350℃-380℃后进行恒温2至4小时。步骤③，将步骤②处理后的混合物在还原气氛保护下进行高温烧结，升温至650℃后，保持恒温5至10小时。步骤④，混合物在纯度为5%的Ar与H₂还原气氛保护下高温烧结：从350℃升温至650℃，在650℃恒温5-10小时，继续在还原气氛下降到室温，再将固体粉碎后得到颗粒平均粒径为0.2-5.0μm 的前驱体LiFePO₄。

进一步地，上述的复合碳纳米管阵列包覆磷酸铁锂电极材料的制备方法，其中：所述的称取过程为，按照摩尔比1 ：1 ：2 ：0.6 称取Li₂CO₃、Fe₂O₃、NH₄H₂PO₄ 和C₆H₈O₇，所述的溶剂为去离子水，所述的粉碎过程采用球磨机进行。