[发明专利]三步法制备碳包覆二磷化锌复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及三步法制备碳包覆二磷化锌复合材料的制备方法及应用，属于锂离子电池技术领域。目的是解决二磷化锌产量低和作为锂离子电池负极材料循环性能差的问题。制备方法如下：首先基于直流电弧等离子体法，将锌块蒸发为纳米锌粉；然后利用纳米锌粉和磷经高温固相反应法合成二磷化锌粉末；最后通过机械球磨法制备碳包覆二磷化锌复合材料。该方法合成温度低、周期短，低成本、产量高。本发明复合材料制备的锂离子电池在200mA/g电流密度下循环200圈后，可逆循环比容量为629mAh/g。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及三步法制备碳包覆二磷化锌复合材料的制备方法及应用。

背景技术

面对新能源汽车的高速发展，锂离子电池市场的发展方向发生改变。动力型锂离子电池在市场中所占的比例逐年提高，这迫使需要提升单体电池能力密度。目前作为锂离子电池正极材料的钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)和磷酸铁锂(LiFePO₄)及它们的衍生物和商业化的负极材料石墨已经接近理论比容量，很难再有提升。为实现动力电池中期发展目标(400Wh/Kg)，高容量低成本的新型电极材料成为近年来的研究热点。

磷(P)自然储备资源丰富，且价格便宜，理论比容量高达2596mAh/g(Li₃P、Na₃P)，电压平台较低(Li/Li⁺，0.8V和Na/Na⁺，0.4V)。然而，磷基负极材料的缺点也比较明显，如导电性差、膨胀率高等，导致电极材料在充放电过程中循环稳定性较差，从而很大程度上限制了磷基负极材料在金属离子电池中的应用。金属磷化物的比容量适中，电化学循环过程中的体积膨胀率也相对较低，放电平台较为安全，并且具有一定的金属优良导电特性，使得磷材料导电性能得到改善，热性能稳定性能得到加强。

目前，对各种金属磷化物的报道层出不穷。尽管通过和碳材料复合能有效解决体积膨胀并保持较高的比容量，但关于这类材料的制备方法(高能球磨法、溶剂热法、热还原法)都不能实现大规模生产来获取规模化效应从而降低成本。所以仍然无法满足实用化需求，需要寻找一种新型碳包覆金属磷化物的制备方法。

发明内容

本发明意在解决金属磷化物制备方法周期长、冗杂、不适合大规模生产的问题，提供一种三步法制备碳包覆二磷化锌复合材料的方法。该方法以直流电弧等离子体法为基础制备锌纳米粒子；接着应用固态反应法合成了二磷化锌粉末，因为锌纳米粒子的参与能大大降低反应温度和反应时间；最后以球磨的方式将二磷化锌和石墨复合。利用石墨良好的导电性以及具有一定自支撑作用，从而加速了材料与电解液间的离子传输，并缓解了二磷化锌负极材料在充放电过程中的体积膨胀。

本发明采用的技术方案：

三步法制备碳包覆二磷化锌复合材料的制备方法，该步骤如下：

步骤1：制备锌纳米粉体

(1)将锌块放置在直流电弧等离子体设备的铜坩埚中，以钨棒作为阴极，锌块作为阳极，调整阴极到阳极的距离后关闭仓门，密封；

(2)将仓内气压抽至-0.1MPa，充入气压比5:1～2:1的氩气和氢气的混合气氛，调节到合适的电流和电压下引弧；

(3)引弧后产生大量的高温氢等离子体，在高温氢等离子体作用下锌块迅速融化，锌原子获得足够的动能蒸发后与仓内的氩气分子相互碰撞，锌原子的能量会损失并冷却成核、生长形成粉末，沉积在水冷的反应室内壁上；

(4)待纳米粉体充分沉积后，通入一定量空气使其钝化，最后充入空气至常压收集锌纳米粉体。

步骤2：制备二磷化锌粉体

(1)将步骤1制备的锌纳米粉体和磷放在石英玻璃管中，利用真空泵抽出内部空气并通入氩气；

(2)将石英玻璃管封装；