[发明专利]一种磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料的制法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料，特别是有关一种磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料的制法及其用途。

背景技术

随着3C产业的发展，许多便携式科技产品皆以具备高能量、长循环寿命、低成本及环境保护的锂离子二次电池为电源。锂离子二次电池主要由阳极、阴极、电解液和隔膜四部分组成，其中，阴极材料占据着最重要的地位，阴极材料的好坏，直接决定了二次电池产品的最终性能，而阴极材料在电池成本中所占比例也最高。

锂离子二次电池常用的阴极材料，包括：锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂镍氧化物(LiNiO₂)、锂锰氧化物(LiMn₂O₄)、磷酸锂铁(LiFePO₄)和磷酸锂钒(Li₃V₂(PO₄)₃)等；但，这些常用的阴极材料皆有其缺点，例如，锂钴氧化物(LiCoO₂)的原料价格高且不环保；锂镍氧化物(LiNiO₂)的热稳定性较差；锂锰氧化物(LiMn₂O₄)的电容量不高，且锰离子易溶解于电解液中；尤其是，磷酸锂铁(LFP)及磷酸锂钒(LVP)的电子电导率(σ_e)和锂离子扩散系数(Di)均较低，导致这些阴极材料在锂离子二次电池的阴极材料发展上受到限制。

为了提高磷酸锂钒(LVP)或磷酸锂铁(LFP)材料的电子电导率(σ_e)，在现有技术中有以下常见的技术手段：

1.对磷酸锂钒(LVP)材料或磷酸锂铁(LFP)材料进行碳包覆(surface carbon coating)，所制得的磷酸锂钒/碳(以下简称LVP/C)复合材料或磷酸锂铁/碳(以下简称LFP/C)复合材料，明显提高了电子电导率和电化学性能。

2.使用碳作为还原剂，以碳热还原法(carbon thermal reduction)在高温下合成磷酸锂钒(LVP)材料或磷酸锂铁(LFP)材料，凭借剩余的碳作为导电剂，以提高LVP材料或LFP材料的电子电导率及电化学性能。

3.使用静电溅射沉积法(ESD)制备LVP/C薄膜或LFP/C薄膜，以提高LVP/C薄膜或LFP/C薄膜的电子电导率及放电倍率性能等。

4.利用掺杂金属离子提高LVP材料或LFP材料的电子电导率以及在高倍率放电时的循环稳定性。

但是，上述现有技术都没有提到添加高分子碳源来解决磷酸锂钒(LVP)材料或磷酸锂铁(LFP)材料的低电子电导率问题，也没有提到添加导电碳材(例如Super P或碳球(CS)导电碳材)作为磷酸锂钒(LVP)材料或磷酸锂铁(LFP)材料的导电剂，甚至也没有提到一种磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料在高倍率放电时具备优异的循环稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料，应用水热法、固态法、溶胶-凝胶法或喷雾干燥法合成制得含有磷酸锂钒及磷酸锂铁二种不同阴极材料，且使用高分子碳源或导电碳材经过煅烧后成为磷酸锂钒及磷酸锂铁之间的碳层(或称残留碳含量)，可有效改善复合材料本身的电化学性能，使得制得的磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料具有高电压平台及高功率性能，也具有非常优异的充/放循环寿命。

本发明的磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料，包含残留碳含量为1～15wt％，优选为为5～10wt％，最优选为为3～8wt％。

本发明的磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料，使用固相法制备的步骤，包括：

a)制备磷酸锂铁/碳(LFP/C)阴极材料；

b)制备磷酸锂钒/碳(LVP/C)阴极材料；

c)使用固态法制备磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳阴极材料；

根据磷酸锂铁/碳(LFP/C)：磷酸锂钒/碳(LVP/C)的摩尔比为1:1或3:1或5:1的其中一种，定量选取预先制备的磷酸锂铁/碳(LFP/C)阴极材料及磷酸锂钒/碳(LVP/C)阴极材料，使用固态法将两种材料直接均匀混合及研磨，以制得所述磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料。

本发明的磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料，使用水热法制备的步骤，包括：

a)制备磷酸锂铁/碳(LFP/C)阴极材料：

b)根据磷酸锂钒/磷酸锂铁/碳复合材料的重量，选择使用量为1～30wt％的碳源；