[发明专利]一种定向多孔磷酸铁锂-石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种定向多孔磷酸铁锂‑石墨烯复合材料及其制备方法。其技术方案是：按铁盐∶石墨烯氧化物的质量比为1∶(0.2～2.6)，将石墨烯氧化物加入到浓度为0.5～2mol/L的铁盐水溶液中，超声搅拌，制得溶液Ⅰ。按铁盐∶磷酸的物质的量比为1∶1，将磷酸加入到溶液Ⅰ中，搅拌，制得溶液Ⅱ。按铁盐∶锂盐的物质的量比为1∶1，将锂盐水溶液加入到溶液Ⅱ中，超声搅拌，制得溶液Ⅲ。将溶液Ⅲ于定向冷冻装置中冷冻，在真空冷冻干燥机中干燥，保护气氛和600～750℃条件下保温，随炉冷却，得到定向多孔磷酸铁锂‑石墨烯复合材料。本发明工艺简单、操作方便、生产周期短且形貌可控；所制制品呈三维定向多孔结构，孔径及孔壁厚度均匀可控，电化学性能优异。

技术领域

本发明属于磷酸铁锂-石墨烯复合材料技术领域。具体涉及一种定向多孔磷酸铁锂-石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，节能环保成为时代的主题，太阳能、风能、潮汐能等清洁可再生型能源逐渐取代传统的煤、石油、天然气等高污染非再生能源，然而，这些新型能源却存在着不连续性和不稳定性的缺陷，致使其实际应用受到限制，因此，对再生能源进行能量转换与高效存储变得尤为重要。作为高效的能量转换装置，锂离子电池(LIB)已广泛应用于能源、动力领域及3C电子产品(Computer、Communication和Consumer Electronic)领域，它的性能与成本主要取决于正极材料。其中，橄榄石型磷酸铁锂因理论比容量高、成本低、循环稳定性和安全性能优异等优点在众多正极材料中脱颖而出。然而，较低的离子扩散速率和电子电导率阻碍了磷酸铁锂倍率性能的发挥，大大限制了磷酸铁锂材料在动力电池领域的使用，针对磷酸铁锂固有缺陷的改性，中外学者们已开展了很多工作。

目前，磷酸铁锂的改性方式主要有颗粒尺寸纳米化、多孔形貌设计、碳包覆、阳离子掺杂等，其中，将磷酸铁锂颗粒纳米化能够明显改善材料的放电比容量。但是，纳米粒子化学活性较高，易发生团聚，不利于提升材料的循环稳定性。相较之纳米化磷酸铁锂，三维多孔结构的磷酸铁锂因其较大的比表面积，较高的体积能量密度和功率密度有望在动力电池领域得到广泛应用。目前，多孔磷酸铁锂的制备通常采用软模板法、硬模板法和非模板法。

非模板法合成工艺简单和操作简便，但形成的孔洞大多混乱无序；软模板法所用模板剂去除方便，且模板剂热解后产生的无定型碳可提升的磷酸铁锂导电性，然而，磷酸铁锂结晶温度较高，软模板剂在较低的温度下便发生分解，因此，无法继续支撑高温下的多孔结构，易出现孔洞坍塌现象。

硬模板法所用模板刚度大，可很好地避免孔洞坍塌问题，且有利于制备三维多孔材料，但是硬模板法所需的模板剂需提前制备，无形中使得工艺变得复杂化，增加了材料的合成成本，且模板剂去除不彻底，易引入副产品。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、操作方便、生产周期短和形貌可控的定向多孔磷酸铁锂-石墨烯复合材料的制备方法；用该方法制备的定向多孔磷酸铁锂-石墨烯复合材料呈三维定向多孔结构，孔径及孔壁厚度均匀可控，电化学性能优异。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

(1)按铁盐∶石墨烯氧化物的质量比为1∶(0.2～2.6)，将所述石墨烯氧化物加入到浓度为0.5～2mol/L的铁盐水溶液中，超声搅拌0.5～1.5h，得到溶液Ⅰ。

(2)按所述铁盐∶磷酸的物质的量比为1∶1，将所述磷酸加入到所述溶液Ⅰ中，搅拌20～40min，得到溶液Ⅱ。

(3)按所述铁盐∶锂盐的物质的量比为1∶1，将浓度为4mol/L的锂盐水溶液加入到所述溶液Ⅱ中，超声搅拌30～40min，得到溶液Ⅲ。

(4)将所述溶液Ⅲ置于定向冷冻装置中，冷冻20～40min，再于真空冷冻干燥机中干燥36～72h，得到柱状干凝胶。