[发明专利]磷酸铁锂/碳纳米管微球正极材料的制备方法、正极材料及水系锂离子电容器的优化方法

说明书

本发明公开了一种磷酸铁锂/碳纳米管微球正极材料的制备方法、正极材料及水系锂离子电容器的优化方法，涉及电化学储能领域，具体方案为：制备碳纳米管微球和磷酸铁锂前驱液；将碳纳米管微球与磷酸铁锂前驱液进行负压真空渗透，得到前驱体，经干燥及高温碳化处理，得到磷酸铁锂/碳纳米管微球正极材料，并将其应用于优化水系锂离子电容器。本发明提供的制备方法选用原料充足且廉价、环境友好、容量值高、晶体结构稳定，降低了实验成本，并且产品对环境没有污染。所得正极材料比电容值高。材料用于优化电容器后，所得电容器倍率特性好且拥有良好的循环寿命，电容器的综合电化学性能获得了整体提高。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，特别是正极材料的制备方法、正极材料及高能量密度、高功率密度水系锂离子电容器的优化方法。

背景技术

在电化学储能领域，电化学双电层电容器(EDLCs)和锂离子电池(LIBs)是传统的储能装置。锂离子电容器(LICs)是由两种不同储能机理的两个电极组成，一个电极是LIBs类型的电极，另一个电极是EDLCs类型的电极。LICs拥有锂离子电池和电化学双电层电容器两者的优点，弥补锂离子电池功率密度低和循环寿命短的不足，改善电化学双电层电容器能量密度低的现状，满足现阶段大众对于能源储存和动力输出的需求。相比有机体系LICs，水系LICs以其安全、环保的特点得到众多学者的青睐和推广，但由于水系LICs低的电势窗口导致其能量密度和功率密度低等问题，使得目前水系LICs的整体电化学性能还不理想。

正交晶系橄榄石型结构的磷酸铁锂(LFP)以其原料广泛且廉价、环境友好、容量值高和晶体结构稳定等优点得到众多研究人员的关注，已经成为目前市场应用最广泛的锂离子电池及电容器的正极材料之一。但是LFP的电子导电率低和离子扩散速率差的问题极大地限制了其应用，特别是大功率场合的应用。通过引入碳基导电载体与磷酸铁锂进行有效复合，有望改善LFP的电导率低的问题。在之前的工作中，我们使用葡萄糖和蔗糖等碳质材料作为碳源，通过两步法制备磷酸铁锂/碳(LFP/C)复合材料，改善了LFP的电化学性能。但是碳源在高温碳化之后形成无定形碳涂层，因此其导电性能不够理想。相比之下，石墨化碳(sp²配位碳)具有更高的电导率，因此可以更快速地向电化学反应位点输送电子。一些研究证实，石墨烯对提高LFP的电导率十分有效。然而，石墨烯的高价格限制了其应用，其容易团聚的趋势也限制了充电和放电过程中的离子扩散。

发明内容

本发明技术要解决当前电化学储能装置功率密度低和能量密度低的现状，而提供一种磷酸铁锂/碳纳米管微球正极材料的制备方法、正极材料及水系锂离子电容器的优化方法。

第一，本发明提供一种磷酸铁锂/碳纳米管微球正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过模板法制备碳纳米管微球；

(2)制备磷酸铁锂前驱液；

(3)通过负压真空渗透，将步骤(2)制备的磷酸铁锂前驱液分批次负载到步骤(1)制备的碳纳米管微球上，得到前驱体；

(4)步骤(3)所得前驱体经干燥及高温碳化处理，得到磷酸铁锂/碳纳米管微球正极材料。

步骤(3)所述碳纳米管微球的质量与磷酸铁锂前驱液的体积的比例为(0.1～0.2)g:(0.5～4)mL；所述负压真空渗透，指抽真空8～12min，保压8～12min。

步骤(3)所述分批次，指将前驱液按照每批次1mL的量分成不同批次负载到碳纳米管微球上，不足1mL前驱液时，前驱液按一批次处理；每批次负压真空渗透后将得到的前驱体放在60～80℃的烘箱中干燥处理0.5～1.5h。

步骤(4)所述高温碳化处理，指前驱体在氮气氛围下，以10～20℃/min的升温速率，升温至500～700℃，高温碳化处理8～12h；所述前驱体在上述高温碳化处理前，要先放在60℃的烘箱中干燥处理24h。

步骤(1)通过模板法制备碳纳米管微球的方法具体为：