[发明专利]一种磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料

说明书

本发明提供了一种磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料，其特征在于，磷酸铁锂前驱体为金属磷酸盐A或金属氧化物B，具有亚微米或微米结构；前驱体材料均匀分布在碳纳米管构成的导电网络中，其中碳纳米管的含量为0.1～20wt％，前驱体的含量为80～99.9wt％；该复合前驱体材料只需和一定量的锂盐均匀混合，经过简单的高温固相反应后得到磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料。本发明利用铁基催化剂制备碳纳米管，铁基催化剂又作为磷酸铁锂前驱体中金属元素的全部或部分来源，降低了制备成本，提高了磷酸铁锂材料的本征电导率和锂离子扩散系数，结合碳纳米管构筑的导电网络来改善材料的导电性，显著提升磷酸铁锂材料的综合电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，特别涉及一种磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料。

背景技术

随着社会的快速发展，传统化石能源的消耗日益加剧，随之而来的污染问题也严重影响了人类的生存环境。为了实现人类社会的可持续发展，太阳能、水能、风能等可再生能源越来越受到人们的关注。但是，这些能源均不能连续稳定的产生电能，难以直接并入电网系统中，需要合适的装置将其存储。锂离子电池具有工作电位高、能量密度大、无记忆效应、对环境友好等特点，已经被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车及大规模储能等领域。虽然锂离子电池得到了很好的应用，但其成本和安全等问题仍然存在，阻碍了锂离子电池的进一步推广。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳等部分构成，正极材料性能和成本对锂离子电池性能和成本的影响最为显著，改善正极材料的各项指标是提升锂离子电池综合竞争力的重要途径。已取得商业化的正极材料包括钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、三元材料(LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂)和磷酸铁锂(LiFePO₄)。其中，磷酸铁锂材料由于具有安全性高、稳定性好、价格低廉、使用寿命长等特点，是发展前景广阔的正极材料之一。但是磷酸铁锂由于其晶体结构的限制，仍存在一定的不足。磷酸铁锂材料的导电性较差(10^-9～10^-8S/cm)，这是因为其晶体结构中FeO₆八面体与一个PO₄四面体和两个LiO₆八面体共边，没有形成FeO₆八面体连接的结构，电子导电网络不连贯，材料在充放电过程中的极化增加。磷酸铁锂材料的锂离子迁移率也较低(10^-13～10^-11cm²/s)，限制了材料在大倍率放电条件下性能的发挥。因此，未经改性的磷酸铁锂材料很难得到实际应用。磷酸铁锂材料的改性方式有很多，主要包括与导电性好的物质进行复合，控制材料的粒径及有益元素掺杂。碳纳米管是一种具有一维特殊结构的材料，具有优异的力学、电学和化学特性，随着人们对该材料研究的不断深入，其应用的前景十分广阔。在锂离子电池中，碳纳米管通常可以和正极材料复合，通过碳纳米管构筑完整的导电网络，改善正极材料的电化学性能。但是碳纳米管有较大的比表面积和长径比，在加上碳纳米管之间存在范德华力，导致碳纳米管的团聚现象十分明显。磷酸铁锂和碳纳米管复合正极材料时，通常是分别制备磷酸铁锂前驱体和碳纳米管，通过一定的方式混合后，混锂进行高温烧结可以得到复合材料。专利(CN109461931)报道了一种磷酸铁锂前驱体的制备方法，采用磷酸溶解三氧化二铁，或加入成品碳纳米管，经溶解、沉淀、分离，得到磷酸铁或磷酸铁/碳纳米管。但是由于碳纳米管的团聚，导致复合前驱体的成分不均匀，所得性能改善不显著。另外，在碳纳米管制备过程中，使用铁基催化剂，后续纯化碳纳米管过程中需要大量酸洗去除，增加工艺成本，产生大量废酸。因此，充分利用碳纳米管制备过程中的铁源、设计一种成分均匀的磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料，其目的是充分利用碳纳米管制备过程中的铁源，降低制备成本，提供一种成分均匀的磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料。

改善了复合正极材料中碳纳米管团聚，成分不均匀的问题。