[发明专利]一种同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料的制备方法，首先分别制备纳米碳纤维芯层纺丝液、磷酸铁锂中间层纺丝液和石墨烯壳层纺丝液，然后将三者加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝，纺丝成品在氮气或者惰性气体气氛下煅烧，得到同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料。本发明合成过程简单，其芯层碳纤维作为磷酸铁锂的集流体，壳层石墨烯作为包覆层，不仅提高了材料的电子电导率，同时，纤维之间相互接触构成良好的导电网络，可以免去集流体与导电剂，大大提高了电池的能量密度，同时也实现了良好的循环和倍率性能，内层碳纤维形状规则且质地密实，加上材料独特的纤维结构使得该材料具有较高的压实密度，适合工业化大生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是一种同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料的制备方法。

背景技术

目前市场上主流的锂离子电池正极材料主要包括钴酸锂、磷酸铁锂以及三元材料等，其中磷酸铁锂（LiFePO₄）具有环境友好、廉价、资源丰富、材料循环稳定以及安全性极佳等多重优势，从而备受市场青睐。然而具有橄榄石型结构的磷酸铁锂，其锂离子扩散速率以及电子电导率与钴酸锂相比相差多个数量级。因此，通常采用表面包覆、离子掺杂、颗粒纳米化等方式来提高磷酸铁锂的倍率性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料的制备方法，采用静电纺丝的方法制备同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料，制备方法简单，且提高了正极材料的电子电导率，同时，纤维之间相互接触构成良好的导电网络。

本发明的技术方案为：

一种同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料的制备方法，所述的同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料为三层结构，包括有纳米碳纤维芯层、包覆于芯层外的磷酸铁锂中间层和包覆于中间层外的石墨烯壳层；所述的同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料的制备方法具体包括有以下步骤：

（1）、准确称取磷酸二氢锂、硝酸铁、聚偏氟乙烯，加入到丙酮和挥发性溶剂中，匀速搅拌均匀得到磷酸铁锂中间层纺丝液；其中：磷酸二氢锂、硝酸铁和聚偏氟乙烯的质量比为0.104：0.242：0.1-0.2；

（2）、将聚丙烯腈粉末与二甲基甲酰胺按3-4：6-7的质量比混合，并密封置于75 ℃恒温水浴中搅拌24 h，得到透明聚丙烯腈芯层纺丝液即纳米碳纤维芯层纺丝液；

（3）、将氧化石墨烯溶液加入到二甲基甲酰胺中混合搅拌均匀，得到石墨烯壳层纺丝液；

（4）、将透明聚丙烯腈芯层纺丝液、磷酸铁锂中间层纺丝液和石墨烯壳层纺丝液加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝，得到纳米纤维正极材料前驱体，将纳米纤维正极材料前驱体在氮气或者惰性气体气氛下煅烧，得到同轴碳/磷酸铁锂/石墨烯纳米纤维正极材料。

所述的丙酮和挥发性溶剂的体积比为2-3：7-8，所述的挥发性溶剂选用乙醇、丙酮和氯仿中的一种或几种的混合。

所述的氧化石墨烯溶液的浓度为12mol/L，氧化石墨烯溶液和二甲基甲酰胺的体积比为0.5-1：1。

所述的静电纺丝装置进行静电纺丝的具体操作是：将透明聚丙烯腈芯层纺丝液、中间层纺丝液和石墨烯壳层纺丝液加入到静电纺丝装置的注射器中，使纺丝液从注射器针头喷出通过高压直流静电场至注射器针头前方的接收器，进行静电纺丝，静电纺丝装置的设定参数为：正高压设定在16-18kv，负高压调到-2kv，接收器与注射器之间距离调到16-18cm，相对湿度10%，温度40℃。

所述的纳米纤维正极材料前驱体在氮气或者惰性气体气氛下煅烧的温度为650-800℃，煅烧的时间为6-8 小时。

本发明的优点：