[发明专利]一种氮、磷、硫共掺杂复合碳材料、其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种氮、磷、硫共掺杂复合碳材料、其制备方法和锂离子电池。本发明所述复合碳材料的氮元素来源于含氮的生物质碳材料，磷元素来源于磷掺杂石墨烯前驱体。所述方法包括：1)将含氮的生物质碳材料、磷掺杂石墨烯前驱体、硫源和活化剂混合，加水浸渍，然后干燥；2)然后在600℃～1000℃活化处理，得到氮、磷、硫共掺杂复合碳材料。本发明的方法绿色环保，大幅降低生产成本，采用该复合碳材料对磷酸铁锂进行包覆还能够显著提高磷酸铁锂正极材料的倍率性能和循环稳定性，0.1C倍率下的首次放电比容量在161mAh/g以上，充放电效率在98％以上；在8C倍率下，放电比容量在146mAh/g以上，循环40周后容量保持率在98％以上。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料及其制备领域。涉及一种氮、磷、硫共掺杂复合碳材料、其制备方法和锂离子电池，尤其涉及一种氮、磷、硫共掺杂复合碳材料、其制备方法、包含该复合碳材料的表面包覆型磷酸铁锂正极材料和锂离子电池。

背景技术

磷酸铁锂正极材料的电子电导和锂离子的扩散是制约磷酸铁锂正极材料应用的关键问题。现有的技术方法通常使用蔗糖、葡萄糖、冰糖等传统碳材料作为碳源包覆磷酸铁锂正极材料，该方法虽然在一定程度上提高了磷酸铁锂正极材料的电子电导，但是采用上述包覆方法对磷酸铁锂粒径调控、电子导电性和锂离子扩散传输均有局限性，在大倍率放电条件下易导致磷酸铁锂正极材料结构坍塌，进而导致使用该磷酸铁锂正极材料制备的锂离子电池面临循环寿命短的问题。

CN 107359336A公开了一种磷酸铁锂的制备方法，包括以下步骤：a)将铁源、磷源、锂源和碳源混合均匀，在保护性气氛下进行煅烧，得到煅烧物；b)将煅烧物研磨后，干燥；c)将干燥后的煅烧物在保护性气氛下进行再次煅烧，得到磷酸铁锂。但是，此专利采用的碳源包覆方法还不能从根本上解决磷酸铁锂正极材料电子导电性差和锂离子的扩散问题，不能大幅度的有效提高磷酸铁锂的电化学性能和循环稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种氮、磷、硫共掺杂复合碳材料、其制备方法和锂离子电池。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种氮、磷、硫共掺杂复合碳材料，所述复合碳材料的氮元素来源于含氮的生物质碳材料，所述复合碳材料的磷元素来源于磷掺杂石墨烯前驱体。

作为本发明所述复合碳材料的优选技术方案，以含氮的生物质碳材料、磷掺杂石墨烯前驱体和硫源的总质量为100wt％计，所述含氮的生物质碳材料、磷掺杂石墨烯前驱体和硫源的质量比为(65wt％～98wt％):(1wt％～20wt％):(1wt％～15wt％)，例如65wt％:20wt％:15wt％、80wt％:10wt％:10wt％、85wt％:5wt％:10wt％、90wt％:4wt％:6wt％或95wt％:3wt％:2wt％等，优选为(75wt％～90wt％):(5wt％～15wt％):(5wt％～10wt％)。

优选地，所述含氮的生物质碳材料中氮元素的质量百分含量为1％～10％，例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7.5％、8.5％或10％等，优选为1％～8％。

优选地，所述磷掺杂石墨烯前驱体中磷元素的质量百分含量为1％～15％，例如1％、3％、4％、5％、6％、8.5％、10％、12％或15％等，优选为1％～10％。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的氮、磷、硫共掺杂复合碳材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将含氮的生物质碳材料、磷掺杂石墨烯前驱体、硫源和活化剂混合，加去离子水浸渍，然后干燥；

(2)将步骤(1)所得干燥产物在550℃～1000℃活化处理，得到氮、磷、硫共掺杂复合碳材料。