[发明专利]碳包覆磷酸铁锂复合材料的制备方法及碳包覆磷酸铁锂复合材料

说明书

一种碳包覆磷酸铁锂复合材料的制备方法及利用该制备方法制得的碳包覆磷酸铁锂复合材料；该制备方法是先利用锂源、铁源和磷源制备磷酸铁锂前驱体，然后在上风放置有碳源的惰性气氛中对其进行高温热处理；其中，所述碳源为有机物。该制备方法，简便易行，使还原和碳包覆一次完成，碳的包覆量低且可控，包覆均匀。所得碳包覆磷酸铁锂复合材料，其碳包覆层薄而均匀，能够用于组装锂离子电池，其用于锂离子电池中时，能够保持锂离子电池的电化学性能，比如容量密度、倍率性能等。

技术领域

本发明属于电化学能源材料领域，具体涉及碳包覆磷酸铁锂复合材料的制备方法及碳包覆磷酸铁锂复合材料。

背景技术

纯相的磷酸铁锂具有电子电导率低的本征不足，不能直接用作为电池的电极材料，需对其进行包覆改性。磷酸铁锂表面包覆适量碳是目前主流的解决方案。碳材料具有电子导电性良、化学和电化学稳定性好、密度低、机械强度高、等优势，0.5～2wt％的低含量就可以使酸铁锂电极材料的电子导电性得到显著改善。

包覆碳层还有3点其他作用。1)防止磷酸铁锂表面被氟化氢侵蚀和氧化。磷酸铁锂电池体系里，磷酸铁锂发生Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应时，集流体、粘结剂、导电剂等均可能与电解液发生非友好反应。电解质六氟磷酸锂可与电池体系中的残留水分发生水解反应生成氟化氢，磷酸铁锂等电极活性材料可能受到HF的侵蚀，其性能(尤其是循环性能)将受到严重的影响。碳层可以维持磷酸铁锂与电解液界面的稳定性，避免磷酸铁锂被氟化氢侵蚀或被氧化。2)降低磷酸铁锂和电解液界面的电荷传递阻抗，加快电荷传递过程。良好的碳层提供电子的同时，还可供其周围电解液中的锂离子快速穿透(嵌/脱)，从而建立锂离子和电子的高效迁移过程。在电子和锂离子快速转移的情况下，磷酸铁锂的表面反应过程将更加容易进行。3)限制磷酸铁锂晶粒尺寸生长，避免其过度生长，维持纳米化尺寸。为了提高磷酸铁锂的结晶度，通常在制备过程中会进行热处理，纳米尺度的磷酸铁锂在热处理过程中，容易发生团聚。通过制备过程的合理设计，一方面，可以利用碳层来限制晶体的生长，另一方面，还可以利用碳层来最大程度弱化团聚现象带来的不利影响。

磷酸铁锂表面的包覆碳层也会带来不足。碳层的厚度、结构等会影响锂离子穿过碳层时的阻抗。

目前常规的磷酸铁锂包覆碳方法为直接将碳源与磷酸铁锂物理混合后再高温处理，该方法的优势是适宜大规模工业化生产，其不足是磷酸铁锂表面的包覆程度不均匀，且碳的包覆量不易控制。该不足会降低磷酸铁锂材料的电化学性能(如容量密度、倍率性能等)。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种碳包覆磷酸铁锂复合材料的制备方法，该制备方法简便易行，碳的包覆量低，且包覆均匀；

本发明的第二个目的在于提供利用前述制备方法制得的碳包覆磷酸铁锂复合材料，该碳包覆磷酸铁锂复合材料的碳包覆层薄而均匀。

为实现第一个目的，本发明采用以下的技术方案：

一种碳包覆磷酸铁锂复合材料的制备方法，所述制备方法是先利用锂源、铁源和磷源制备磷酸铁锂前驱体，然后在上风向放置有碳源的惰性气氛中对其进行高温热处理；其中，所述碳源为有机物。

本领域技术人员理解，锂源为本领域常用的锂源，比如碳酸锂、氢氧化锂；铁源为本领域常用的铁源，比如氯化铁、硫酸铁、硝酸铁；磷源为本领域常用的磷源，比如磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵。

本发明中，所述惰性气氛是流动的。

本发明的制备方法，利用碳源的无氧高温分解产生还原性气体，比如CO；产生的还原性气体随惰性气流经过磷酸铁锂前驱体时，不仅能够保护磷酸铁锂不被氧化，而且部分还原性气体接触磷酸铁锂时，会进一步被还原成碳而沉积在磷酸铁锂表面，形成碳包覆层，这也进一步限制了磷酸铁锂颗粒尺寸的长大；且形成的碳包覆层薄而均匀，碳包覆量低且可控。

优选地，所述制备方法包括如下步骤：