[发明专利]一种三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料及其制备方法，属于锂离子电池正极材料技术领域。所述材料为磷酸铁锂（LFP）、电化学剥离氧化石墨（ECGO）和碳包覆膜组成的化合物材料，具有外层碳膜包裹、内部ECGO连接LFP分子的三维结构。所述制备方法包括电化学氧化技术剥离石墨块材得到具有良好亲水性和导电性的ECGO；水热法制备表面结合了大量ECGO的LFP（LFP/ECGO）；采用压烧技术，在LFP/ECGO表面形成一层碳膜。既能提高材料的导电性能，又不会给材料的比容量和振实密度带来较大影响。所得的具有3D导电网络结构的LFP正极材料（LFP/ECGO/C）相比单纯的LFP、LFP/ECGO或者LFP/C，LFP/ECGO/C材料的电化学性能是最好的。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料及其制备方法。

技术背景

磷酸铁锂（LFP，分子式为LiFePO₄）自1997年首次被报道用于锂离子电池正极材料以来，被证明其具有理论容量高（170 mAh·g^-1）、循环性能好（可循环使用超过2000次）、工作电位适中（3.4 V vs. Li⁺/Li）、环境友好、安全性高以及价格低廉等优点，是新一代锂离子电池理想的正极材料之一。但是其电子导电性差和锂离子迁移速率慢的缺点影响了其倍率性能，并严重限制了其在电池行业的应用。人们尝试通过减小粒径缩短锂离子传输距离、包覆导电性薄膜或掺杂高价离子增强其电子导电性等途径来解决上述问题。然而，减小粒径造成振实密度降低，导致其体积容量降低。包覆导电层虽能提供电子传递通道，但对导电性的改善也是有限的。因为，如果包覆量太少，LFP分子之间无法形成有效连续导电网络；而包覆量过大则同样会导致比容量和振实密度的降低。碳包覆是目前改善LFP导电性最常用的方法。近年来，石墨、石墨烯及其衍生材料被广泛应用到电池或电容器中，但用于LFP电池的却很少。

发明内容

本发明的目的在于提出一种性能良好的具有3D导电网络结构的LFP正极材料及其制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料，所述材是由磷酸铁锂（LFP）、电化学剥离氧化石墨（ECGO）和碳包覆膜（碳膜，C）组成的化合物材料，具有外层碳膜包裹、内部ECGO连接LFP分子的三维结构，ECGO结合在LFP表面，LFP/ECGO复合物再被一层超薄的碳层包覆。这样ECGO和碳层与LFP建立了充分的连接，就形成了一种3D导电网络，极大地提高了LFP的电子传输速率。经研究表明，此类材料具有良好的导电性（倍率性能）和低温性能，可作为高性能锂电池的正极材料。作为可选，所述三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料短轴尺寸为100~500纳米，长轴尺寸为0.3~2微米。

作为可选方式，在上述三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料中，所述ECGO具有近球形结构。近球形的ECGO还可以在近邻的LFP之间形成连接，为电子传输增加了通道。

作为可选方式，在上述三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料中，所述ECGO表面带有含氧官能团，进一步的，所述含氧官能团为羟基、醛基和羧基中的至少一种。更进一步的，电化学氧化得到的ECGO氧含量小于10%，电阻率低于为10 Ω cm，具有较好的导电性。表面适度氧化带来的羟基、羧基等含氧官能团有利于LFP与ECGO的结合，而原位生长使得ECGO与LFP之间的电子传输更直接。

作为可选方式，在上述三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料中，所述碳包覆膜厚度约2 nm。

作为可选方式，在上述三维导电网络结构的磷酸铁锂正极材料中，碳含量小于3%。既能提高材料的导电性能，又不会给材料的比容量和振实密度带来较大影响。