[发明专利]高温捏合制备磷酸铁锂复合材料的方法

说明书

本发明属于锂电池技术领域，具体是一种高温捏合制备磷酸铁锂复合材料的方法。本发明技术方案如下：将磷酸铁、碳酸锂、碳源、去离子水以一定比例进行混合搅拌，通过喷雾干燥机进行干燥、箱式炉高温烧结；然后气流粉碎机进行粉破碎，气流分级机进行碳和磷酸铁锂分离；将碳剥落磷酸铁锂和碳源加入高温捏合机中，在抽真空下捏合2‑5h，所得捏合后前驱体进行高温烧结、低压破碎、150目筛网筛分，得到磷酸铁锂复合材料。本发明能够将磷酸铁锂中结合力比较弱的碳层在气粉过程中脱落，并实现碳层与磷酸铁锂分离，避免了碳与电解液发生副反应导致容量及循环的衰减。高温真空捏合可以使碳更好的吸附到磷酸铁锂材料的表面，提高了碳包覆的牢固性和一致性。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体是一种高温捏合制备磷酸铁锂复合材料的方法。

技术背景

新能源材料对人类社会未来可持续发展至关重要，磷酸铁锂(LiFePO4)作为一种锂离子电池正极材料，以污染性低、安全性高、成本低廉等诸多优点而著称，在一定的电流密度下它能够进行锂的可逆脱嵌，完成有序的充放电过程，是一种前景可观的电池正极材料，取得了非常引人瞩目的发展与进步。它的晶型结构属于橄榄石型，结构的体积变化很小，比较稳定，在充放电过程中不易坍塌与变形。

然而电子和离子电导率低是制约磷酸铁锂材料发展的两个致命缺点，低的电导率还会引起其倍率和循环性能的降低。针对这些问题，人们提出了许多改善方法，如掺杂其他元素到铁位和锂位、颗粒纳米化和表面包覆导电物质。而在LiFePO4正极材料表面进行包覆改性处理以改善其倍率性能和循环寿命是目前应用最广泛且经济可行的方法。碳材料由于具有成本低廉、无毒、无污染、原料丰富和导电性高等特点，被研究者们广泛地用于磷酸铁锂正极材料的包覆。

众所周知,LiFePO4的本征电导率仅为10-9～10-10 cm2·S-1,相比于碳负极材料的10-6cm2·S-1,如此低的电导率成为制约其发展的瓶颈。在制备LiFePO4的过程中添加适宜的导电剂或进行有效的碳包覆是改善其导电性能的重要手段。碳包覆改性通常是在LiFePO4晶体外部包覆一层导电性优良的碳材料,这层碳材料为磷酸铁锂的电子转移提供了电子隧道并弱化了极化效应,从而提高了相应的电化学性能。碳包覆过程为:在高温烧结时,碳源类材料发生碳化反应,造成结构的变化和一定程度的石墨化,而形成的碳层会紧紧包覆在LiFePO4晶体外部,大多会形成一种核-壳结构。在设计碳基LiFePO4正极材料时，关键问题是控制碳的添加量，因为添加表面积高的碳纳米材料会降低振实密度，进而降低其能量密度。研究表明复合材料中的理想碳含量占总体质量的1%～3%，其次是纳米复合材料的结构。碳包覆LiFePO4既要保证有利于孔隙率的减少,又要为电极内锂离子的扩散提供足够的空间。

常规合成路径简单易操作,且能够形成纳米级材料,但其仍存在如合成产量低,所需前驱体成本高,对表面包覆层一致性和均匀性的控制较困难以及热处理过程中酸性气体的处理等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述缺点，提供一种高温捏合制备磷酸铁锂复合材料的方法。本发明方法制备出的磷酸铁锂复合材料碳层包覆均匀一致，包覆较牢固，不会在电池充放电过程中发生剥落影响材料性能。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

高温捏合制备磷酸铁锂复合材料的方法，步骤包括：

（1）磷酸铁锂的制备：磷酸铁、碳酸锂、碳源、去离子水以一定比例进行混合搅拌，混料搅拌0.5～2h后得到浆料，将浆料通过砂磨机进行破碎、通过喷雾干燥机进行干燥、箱式炉高温烧结得到磷酸铁锂；

（2）部分碳层剥落：将步骤（1）所得磷酸铁锂，通过气流粉碎机进行高压气粉，粉碎后的颗粒通过气流分级机进行碳和磷酸铁锂分离，得到碳剥落磷酸铁锂；

（3）高温捏合：将步骤（2）所得碳剥落磷酸铁锂和一定比例的碳源加入高温捏合机中，在抽真空的情况下进行捏合2-5h，得到捏合后前驱体；

（4）碳修饰过程：将步骤（3）所得捏合后的前驱体进行高温烧结、低压破碎、150目筛网筛分，得到最终磷酸铁锂复合材料。