[发明专利]一种原位碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种原位碳包覆磷酸铁锂(LiFePO₄/C)正极材料及其制备方法。

背景技术

随着石油等传统燃料日渐枯竭，发展绿色新能源产业已经成为各国的优先选择。其中新能源汽车已成为全球汽车工业发展方向，当前紧迫的任务是尽快确定技术路线和市场推进措施，推动新能源汽车工业的跨越发展。动力电池作为新能源汽车产业的支撑性产品，各国争先研究其相关技术，大力推进动力电池的产业化进程。动力电池需要同时具备容量高、功率高、循环寿命长及低成本的特点。磷酸铁锂(LiFePO₄)为橄榄石结构，作为锂离子电池正极材料，具有安全性能高、理论容量高(170mA h g^-1)、循环寿命长、环境适应性好等优点。然而，LiFePO₄的电子电导率(10^-7-10^-9S cm^-1)和离子电导率(～10^-16em²s^-1)均较低，同时在充放电过程中由于LiFePO₄/FePO₄存在相转变而产生结构应力，因此纯LiFePO₄电极材料存在容量低、极化高、高倍率性能差和循环寿命短的问题。

为了更好的发挥LiFePO₄的电化学性能，经过10佘年的深入研究，研究者们采用碳包覆、金属离子掺杂、金属包覆、纳米化等方法用于改善磷酸铁锂的电化学性能。而在众多改性方法中，原位碳包覆被认为是提高磷酸铁锂电子电导率，改善磷酸铁锂的循环稳定性及倍率性能最直接、最有效的途径。研究认为原位碳包覆可以提高活性物质颗粒之间以及活性物质与导电剂之间的电接触(bulk conductivity)，减小颗粒之间的阻抗，同时还可以阻碍原子扩散，抑制LiFePO₄晶粒的生长，缩短锂离子的扩散路径，改善其电化学性能。特别是Goodenough等率先在LiFePO₄表面包覆导电层，改善了该材料的电化学性能之后，改性LiFePO₄更是掀起了学术及商业界的热潮。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用，采用液相-球磨法合成原位碳包覆磷酸铁锂(LiFePO₄/C)正极材料，产品的颗粒表面包覆有均匀碳层，颗粒之间通过无定型碳网相互连接，且粒径分布均匀，电化学性能优异，有利于大规模市场化推广，可以作为锂离子电池的正极材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种原位碳包覆磷酸铁锂正极材料，通过液相球磨法制备，产品颗粒表面包覆有均匀碳层，颗粒之间通过无定型碳网相互连接，所述颗粒的粒径为100-200nm。

根据以上方案，作为锂离子电池正极活性材料。

一种原位碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)前驱体粉末的制备：将铁源与草酸(C₂H₂O₄)加入到蒸馏水中搅拌，得到黄色悬浊液；将锂源、磷源，碳源分别配成水溶液后滴入到黄色悬浊液中；加热搅拌后得到黄色溶液；搅拌烘干后得到黄色溶胶，将黄色溶胶置于烘箱内烘干并进行固相球磨得到前驱体粉末；

2)产品的制备：将前驱体粉末在保护气体氛围下预烧，预烧产物经液相球磨、烘干后再在保护气体氛围下进行煅烧，得到黑色产品。

根据以上方案，所述铁源为草酸亚铁(FeC₂O₄·2H₂O)，所述草酸亚铁与草酸的摩尔比为1∶1～1∶6。

根据以上方案，所述锂源为LiOH·H₂O、CH₃COOLi·2H₂O、LiNO₃中的任意一种或一种以上的混合物。

根据以上方案，所述磷源为H₃PO₄、NH₄H₂PO₄或两者的混合物。