[发明专利]磷酸铁锂/氮、硫共掺杂石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

磷酸铁锂/氮、硫共掺杂石墨烯复合材料及其制备方法，所述复合材料由以下方法制成：（1）将锂源水溶液和磷源加入到铁源水溶液中，搅拌，得混合溶液；（2）将氧化石墨烯加入到水中，超声处理，再加入氮硫掺杂剂，搅拌；（3）加入混合溶液，搅拌，水热反应，冷却，离心，洗涤，干燥；（4）在惰性气氛中，进行热处理，即成。本发明复合材料中，磷酸铁锂为纯相，颗粒粒径为50～200 nm，氮、硫共掺杂石墨烯完全包覆在磷酸铁锂颗粒表面；所组装的锂离子电池比容量高，倍率性能、循环稳定性好；本发明方法操作简单，成本低，可控性强，适宜于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体涉及一种锂离子电池正极材料纳米级磷酸铁锂/氮、硫共掺杂石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是目前最新型的化学电源，由两种能够可逆地嵌入和脱出锂离子的化合物作为正负极而构成，具有高能量密度、高功率密度、环境友好、使用寿命长和安全性能优越等优点，已成为理想的能量存储装置。

在众多的锂离子电池正极材料中，磷酸铁锂由于具有高的理论容量（170 mAh/g），并且其稳定性好、成本低廉，是目前最具有前景的锂离子动力电池正极材料之一。但是，由于磷酸铁锂低的本征电子导电率和较慢的锂离子迁移速率，严重限制了其在锂离子电池中的广泛应用。为了使磷酸铁锂能更好地满足动力电池的不断发展需求，通过磷酸铁锂的纳米结构化来提高其电化学性能是有效途径之一。虽然具备二维纳米结构的石墨烯具有高的电化学性能、热稳定性与大的比表面积，对电池电极材料的电化学性能可以起到很好地增强作用，但是，本征石墨烯在电子领域的应用严重受限于它的零带隙特性。

CN106044736A公开了一种磷酸铁锂及氮掺杂改性石墨烯磷酸铁锂的制备方法，虽然所得磷酸铁锂/氮掺杂石墨烯复合材料的放电容量较大，但所得磷酸铁锂的颗粒大小为微米级，增加了锂离子扩散的距离，一定程度上阻碍了锂离子的扩散，导致材料大倍率性能差。

CN103904325A公开了一种高倍率型磷酸铁锂/碳复合材料及其制备方法，采用沥青作为碳源制备得到的复合材料虽然在大倍率及循环性能方面较好，但其放电容量相对偏低。

CN106207175A公开了一种磷酸铁锂/石墨烯复合材料的制备方法，是通过回收废旧磷酸铁锂电池活性材料制备磷酸铁锂/石墨烯复合材料。但是，该制备方法所得复合材料中，石墨烯包覆不均匀，很难有效的提高磷酸铁锂材料的电化学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种比容量高、倍率性能、循环稳定性好，操作简单，成本低，适宜于工业化生产的磷酸铁锂/氮、硫共掺杂石墨烯复合材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：磷酸铁锂/氮、硫共掺杂石墨烯复合材料，由以下方法制成：

（1）将锂源水溶液和磷源加入到铁源水溶液中，搅拌，得混合溶液；

（2）将氧化石墨烯加入到水中，超声处理，再加入氮硫掺杂剂，搅拌至溶解，得含有掺杂剂的氧化石墨烯分散液；

（3）在步骤（2）所得含有掺杂剂的氧化石墨烯分散液中，加入步骤（1）所得混合溶液，搅拌，加热进行水热反应，自然冷却至室温，离心，将沉淀洗涤，干燥，得前驱体粉末；

（4）将步骤（3）所得前驱体粉末在惰性气氛中，进行热处理，得磷酸铁锂/氮、硫共掺杂石墨烯复合材料。

优选地，步骤（1）中，所述锂源水溶液中锂元素、磷源中磷元素和铁源水溶液中铁元素的摩尔比为3:1～2:1～2。所述比例过大或者过小会导致制备的磷酸铁锂不是纯相。

优选地，步骤（1）中，所述搅拌的转速为200～400 转/min。