[发明专利]一种纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料及其制备方法和应用，该材料是以碳包覆的磷酸铁锂粉末作为基体，纳米洋葱碳为添加剂，纳米洋葱碳均匀分散在碳包覆的磷酸铁锂中。本发明中纳米洋葱碳材料与包覆碳接触良好，共同构成磷酸铁锂复合碳导电双网络，提高磷酸铁锂的导电性能。本发明采用加压烧结的方法使纳米洋葱碳与磷酸铁锂颗粒界面紧密结合，克服了常规导电炭黑导电剂导电性差，以及导电剂加入后与正极活性物质接触不紧密的问题。本发明的复合材料在常规的碳包覆磷酸铁锂粉末基础上，添加纳米洋葱碳进行复合，改善了正极活性物质的导电性，提高了正极材料的容量和倍率充放电性能，可以应用于锂离子电池、储能等领域。

技术领域

本发明属于电极材料领域和电化学储能领域，具体涉及一种纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

磷酸铁锂(LiFePO₄)材料由Goodenough等人在1997年发现，由于其环境友好，结构稳定，价格低廉，因此成为一种广泛使用的锂离子电池正极材料。橄榄石结构的磷酸铁锂拥有一维的锂离子传输通道，其电导率只有10-8S/cm限制了其容量的发挥。目前主要通过两种途径去改善其导电性，表面碳包覆工艺能极大的提高其电导率，使用有机碳或无机碳包覆在磷酸铁锂颗粒上改善其导电性。另外一种改善其导电性的方式是基于锂离子在磷酸铁锂中的脱嵌机理，通过减少粒径到纳米级别减小极化，减少了不能参与电化学反应的磷酸铁锂颗粒，从而提高实际使用中磷酸铁锂的容量和倍率性能。

磷酸铁锂性能的发挥，由粒径和导电性共同决定，粒径主要影响其锂离子的传导，即锂离子的插入和脱嵌，在充放电过程中FePO4和LiFePO4的相互转化会受到粒径的限制。导电性在这里主要指的是电子在磷酸铁锂颗粒中的传输。使用无定形碳包覆在磷酸铁锂表面形成碳层的作用是加强电解液对颗粒的浸润，以及碳层导电性好降低了浓度的极化。通常在正极活性物质涂敷到集流体上时，会加入粘结剂和导电添加剂，粘结剂主要是起到粘结的作用，同时粘结剂也具有较高的离子导电性和电子导电性，导电添加剂有利于提高正极的导电性，在集流体上构建导电的网络，改善活性物质与集流体的接触。目前主流的导电剂是工艺简单且价格低廉的导电炭黑类导电剂，颗粒状Super-P和链状Ketjen black。随着材料制备技术的发展，sp²杂化的碳材料逐渐被获得并进行了广泛的研究，其中碳纳米管、石墨烯导电性极佳，远远高于sp³杂化的无定形碳导电剂，导电剂的成分对于最终正极极片乃至电池的性能起到至关重要的作用。由此衍生出碳纳米管导电剂，石墨烯导电剂等一系列新型纳米碳材料为主体的添加剂，以及构成交联复合导电网络的多元导电添加剂。石墨烯导电添加剂价格高，尚未实现工业化生产，碳纳米管实现了小规模的生产，但单壁碳纳米管容易团聚，目前解决分散问题主要是通过将导电剂制成浆料，经过后续活性物质混合干燥后得到极片，但在制作正极浆料时若导电剂与活性物质若未发生充分接触，也会降低导电剂的效果。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料，该正极材料中纳米洋葱碳材料穿插在碳包覆磷酸铁锂颗粒之间，由于其极佳的导电性，正极与集流体之间的接触得到改善，正极活性物质与电解液的离子和电子交换能力得到提高，解决了因为碳包覆层导电性而限制磷酸铁锂在高倍率下容量的发挥的问题。

本发明的另一个目的提供所述纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料的制备方法，本发明中将纳米洋葱碳材料添加剂，通过超声分散混合搅拌的方式，混入到碳包覆的磷酸铁锂颗粒中，经过放电等离子体烧结或真空热压烧结，纳米洋葱碳和碳包覆磷酸铁锂形成了界面结合紧密的复合材料。

本发明第三个目的提供所述纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料的应用。主要应用于锂离子电池正极极片以及锂离子电池的制造。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述一种纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料，所述纳米洋葱碳复合磷酸铁锂的正极材料以碳包覆的磷酸铁锂粉末作为基体，纳米洋葱碳为添加剂，纳米洋葱碳均匀分散在碳包覆的磷酸铁锂中。