[发明专利]通过控制多孔三维石墨烯添加量制备高性能的磷酸铁锂/三维石墨烯复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种通过控制多孔三维石墨烯添加量制备高性能的磷酸铁锂/三维石墨烯复合材料的方法。（1）改进的Hummers法制备石墨氧化物。（2）将铁源和磷酸盐分别溶于蒸馏水，调节pH值，抽滤，洗涤，烘干，得FePO₄。（3）将FePO₄置于氧化石墨悬浮液中，加入NiCl₂·6H₂O，超声处理，抽滤，洗涤，干燥，煅烧得到FePO₄/3DG粉末。（4）将FePO₄/3DG粉末（或FePO₄）、锂源和碳源，煅烧后获得LiFePO₄/3DG/C（或LiFePO₄/C）。本发明具有安全性好、成本低廉、对环境友好、电化学性能优良，适用于工业化生产,制备的正极材料在动力电源领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种通过控制多孔三维石墨烯添加量制备高性能的磷酸铁锂/三维石墨烯复合材料的方法。

背景技术

随着科技的发展，新型能源材料的研究与发展得到了前所未有的关注，各国政府也极力扶持新能源的研究，锂离子电池由于其自己优势被广泛应用于许多领域。其中，磷酸铁锂材料被认为是动力电池材料中最具潜力的正极材料。磷酸铁锂正极材料具有能量密度高、工作电压高、自放电效率低、零记忆效应、安全性能好且对环境友好等优点，在电池材料领域展现了巨大优势。同时，磷酸铁锂正极材料自身振实密度低、锂离子扩散速率小等缺点也限制了其自身的进一步发展。经过研究得出，可以通过控制前驱体磷酸铁的形貌大小和使用三维多孔石墨烯正极材料进行包覆的方法对其缺点进行改进，进一步提高磷酸铁锂正极材料的电化学性能。

三维多孔石墨烯由许多二维石墨烯片连接而成，因此三维石墨烯不仅具有二维石墨烯的特点，还有更大的比表面积、机械强度和更强的传递速率等优势。三维石墨烯作为碳包覆材料对磷酸铁锂进行包覆，能够有效地提高磷酸铁锂的电子电导率，缩短锂离子扩散路径，增加锂离子的扩散速率。本发明通过使用三维多孔石墨烯包覆水热制备出尺寸较小的球形磷酸铁前驱体，再采用水热、冷冻干燥和高温煅烧的方法，制备出性能优良的磷酸铁锂/三维石墨烯正极材料。

发明内容

本发明目的是提供一种采用三维多孔石墨烯包覆，结合水热制备的形貌均匀、尺寸较小的磷酸铁前驱体，然后制备出电化学性能优良的球形磷酸铁锂/三维石墨烯复合材料。

磷酸铁锂/三维石墨烯复合材料的分子式为：LiFePO₄/3DG/C。

磷酸铁锂/三维石墨烯复合材料制备方法具体步骤为：

（1）氧化石墨（GO）凝胶通过改进的Hummers法制备,将氧化石墨装入透析袋，放在去离子水中透析，每天换3~5次水，pH为中性后取出凝胶改为冷冻干燥5~7天即得到固态氧化石墨，加水制得浓度为1~10mg/mL的氧化石墨悬浮液。

（2）称取0.001~0.1 mol铁源和0.001~0.1 mol磷酸盐，分别溶于30~50 mL去离子水中，将两种溶液混合均匀后用0.5~5mol/L的氨水调节pH值至2~3，继续搅拌0.5~5小时后，将反应溶液放入50~100mL聚四氟乙烯为内衬的反应釜中140℃保温8小时，冷却至室温后将产物抽滤，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3~5次，80~100℃烘干24~48小时，得到淡绿色粉末。

（3）称取1g步骤（2）中制得的淡绿色粉末置于10~100mL步骤（1）所得的浓度为1~10mg/mL的氧化石墨悬浮液中，室温下搅拌1 小时后，加入0.02~0.2 g NiCl₂·6H₂O，超声处理2小时后，将其置于50~100mL聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在180℃的温度下保温12小时并自然冷却至室温，从高压釜中取出并用去离子水和无水乙醇清洗3~5次，冷冻24~48小时后，放入冷冻干燥机48~96小时，放入通有氩气的管式炉中，以5~10℃/min的加热速率升至550~750℃并煅烧2~10小时，得到黑色粉末。