[发明专利]一种铝氟共掺杂改性的复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及离子电池技术领域，尤其涉及一种铝氟共掺杂改性的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备上，如手机、笔记本电脑、相机、平板电脑等领域，并且逐渐向电动工具，如电动自行车、电动汽车等新兴领域发展。锂离子电池具有工作电压高、比能量大、质量比较轻、自放电低、无记忆效应、较长循环寿命和环境友好等优势。然而，锂离子电池作为动力电池仍然面临着新的挑战，比如安全问题，能量密度，功率密度等问题，特别是应用于电动汽车动力电池和储能装置对锂离子电池提出了更高的要求。因此，开发出新型更高比容量和能量密度的电极材料是发展高能量密度和功率密度的锂离子电池的重要因素。

锂离子电池正极材料直接影响到电池性能的优劣。新能源汽车快速发展，对作为动力电池的锂离子电池的能量密度、功率密度和安全性能提出了更高的要求。目前商业化的锂离子电池正极材料为LiCoO₂和三元材料，尖晶石结构的LiMn₂O₄安全性能较差，橄榄石型结构的LiFePO₄具有170mAh/g容量、长循环稳定性和高安全性，并且价格低廉，环境友好，原材料来源丰富，适合大规模工业生产。但是橄榄石型结构的LiFePO₄的倍率性能和循环性能较差，严重阻碍了其进一步发展。

因此，提高橄榄石型结构的LiFePO₄电极材料的倍率性能和循环性能成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝氟共掺杂改性的复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的复合材料具有良好的倍率性能和循环性能。

本发明提供了一种铝氟共掺杂改的复合材料，可用式I进行表示：

LiFe_1-xAl_xPO_4-yF_y/C 式I

在本发明中，式I表示Al和F掺杂的含碳的LiFePO₄，x表示Al在所述铝氟共掺杂改性的复合材料中的掺杂的摩尔比例，x优选为0.01～0.3，更优选为0.05～0.25，最优选为0.1～0.2；y表示F在所述铝氟共掺杂改性的复合材料中的掺杂摩尔比例，y优选为0.01～0.1，更优选为0.02～0.08，最优选为0.04～0.06。

本发明提供了一种铝氟共掺杂改性的复合材料，由包括锂源、铁源、磷源、有机碳源、铝源和氟源的物料制备得到。

在本发明中，所述锂源、铁源和磷源的比例优选按照橄榄石型结构LiFePO₄正极材料的化学式所示的摩尔比例进行配比，所述锂源、铁源和磷源的摩尔比优选为1：1：1。在本发明中，所述有机碳源和铁源的摩尔比优选为(1～5):1，更优选为(2～4):1，最优选为3:1；所述铝源和铁源的摩尔比优选为(0.01～0.3):1，更优选为(0.05～0.25):1，最优选为(0.1～0.2):1；所述氟源和磷源的摩尔比优选为(0.01～0.1):1，更优选为(0.02～0.08):1，最优选为(0.03～0.06):1。在本发明中，C(碳)在所述铝氟共掺杂改性的复合材料中的质量含量优选为0.5～15％，更优选为1～12％，更优选为4～10％，最优选为6～8％。

在本发明中，所述锂源优选为磷酸二氢锂、醋酸锂、碳酸锂和氢氧化锂中的一种或几种；所述铁源优选为草酸亚铁、硫酸铁、硝酸铁和羟基氧化铁中的一种或几种；所述磷源优选为磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢钠和磷酸钠中的一种或几种；所述有机碳源优选为甘氨酸、柠檬酸、蔗糖、淀粉、葡萄糖和木薯粉中的一种或几种；所述铝源优选为氧化铝，更优选为纳米氧化铝，硝酸铝、硫酸铝和氢氧化铝中的一种或几种；所述氟源优选为聚偏氟乙烯(PVDF)、氟化锂、氟化钠和氟化铵中的一种或几种。

本发明优选采用高温固相法制备上述铝氟共掺杂改的复合材料。在本发明中，所述铝氟共掺杂改性的复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)将锂源、铁源和磷源混合，得到第一混合物；

2)将有机碳源与所述第一混合物混合，得到第二混合物；

3)将铝源与所述第二混合物混合，得到第三混合物；

4)将氟源与所述第三混合物混合，得到第四混合物；

5)将所述第四混合物进行加热处理，得到铝氟共掺杂改性的复合材料。