[发明专利]一种石墨烯复合碳包覆磷酸钴锂材料及其制备方法与应用

说明书

一种石墨烯复合碳包覆磷酸钴锂材料及其制备方法与应用，涉及锂离子电池正极材料。石墨烯复合碳包覆磷酸钴锂材料由磷酸钴锂与石墨烯和碳组成，磷酸钴锂与石墨烯和碳三者之间通过原位共生复合，石墨烯与原位生成的碳构成三维导电网络。方法一：将锂源、钴源、磷源和有机碳源，溶于水中，得溶液A；将石墨烯分散于无水乙醇中，得溶液B；将溶液A和B混合，喷雾干燥后得前驱体粉末，在保护气氛下煅烧，然后冷却至室温，即得。方法二：将锂源、钴源、磷源溶于水中，喷雾干燥后得磷酸钴锂前驱体；将磷酸钴锂前驱体与石墨烯和有机碳源混合后，在保护气氛下煅烧，然后冷却至室温，即得。石墨烯复合碳包覆磷酸钴锂材料可作为正极材料应用于锂离子电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料，尤其是涉及一种石墨烯复合碳包覆磷酸钴锂材料及其制备方法与应用。

背景技术

在信息产业迅猛发展的今天，电池特别是二次电池已经成为便携试电子设备的重要组成部分。能源危机日益严峻，开发新的、无污染、可再生的能源(如太阳能、风能、潮汐能等)是一项关系到人类社会可持续发展前途的重大任务，而二次电池是合理有效地储存和利用这些新能源的重要媒介。在诸多二次电池中，锂离子电池由于高比能量，高电压，和循环性能稳定等优点而最受青睐。

便携式电子产品和电动汽车对长续航时间和里程的要求，对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的要求。通过简单计算表明，如果正极材料的比容量提高一倍，那么电池的能量密度能够提高57％，而如果负极的比容量提高至10倍，电池的能量密度只能提高47％。因此，发展一种高性能正极材料是提高电池能量密度的关键因素。其中提高正极材料的工作电压平台是提高锂离子电池能量密度的一个重要途径。

聚阴离子型正极材料由于具有稳定的聚阴离子框架结构而表现出优良的安全性能和良好的循环性能，成为一类非常有吸引力的锂离子电池正极材料体系。

1997年，Padhi等首次提出了以橄榄石型LiFePO₄作为锂离子电池正极材料。LiFePO4由于具有高安全性能，高循环性能，价格低，环境友好的特点，其作为一种非常有前景的电动汽车锂离子电池正极材料，引起人们广泛的研究兴趣。LiFePO₄的理论比容量为170mAh/g，工作电压平台为3.4V，理论比能量为578Wh/kg。由于LiFePO₄的工作电压平台只有3.4V，电池的能量密度较低，为了进一步提高电池的能量密度，LiMnPO₄，LiCoPO₄，LiNiPO₄也引起研究者的兴趣。其中LiCoPO₄具有4.8V的高工作电压平台和较高的理论比容量(167mAh/g)，可大幅提高锂离子电池能量密度(约为磷酸铁锂电池的1.35倍)，是很有前景的高比能量密度锂离子电池正极材料。然而，LiCoPO₄材料的应用也同样遇到了聚阴离子材料本征电导率低的问题。聚阴离子型正极材料的电子电导率均较低，同时橄榄石型LiMPO₄正极材料中聚阴离子基团的存在压缩了同处于相邻MO₆层之间的锂离子传输通道，降低了锂离子的迁移速率，磷酸钴锂材料在室温下的电导率约为10^-9 S cm^-1，远低于金属氧化物正极材料LiCoO₂(约10^-3 S cm^-1)和LiMn₂O₄(约10^-5 S cm^-1)在室温下的电导率。对于磷酸铁锂，这一缺点通常是通过是通过表明导电层，如碳包覆来解决。然而，研究表明磷酸钴锂相和碳之间的接触不如磷酸铁锂好，因而碳难以有效地包覆在磷酸钴锂颗粒表面，导致磷酸钴锂材料的性能难以提高。