[发明专利]一种磷酸亚铁锂复合材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸亚铁锂复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

锂过渡金属磷酸盐(LiMPO₄如磷酸亚铁锂)作为锂离子电池的正极材料引起人们极大兴趣。相对于目前常用LiCoO₂，LiMn₂O₄等作为正极材料，这主要是由于它们能量密度高(理论容量达170mAh/g)、放电电压适中(3.4V)、价格便宜、环境友好以及安全等优点。唯一的缺点是导电率太低，在常温下只有10^-9～10^-10S.cm^-1，因此需要改进提高其导电率，才能使其完全发挥其潜能。人们对电池能够适应大电流充放的日益增长的需求，促使科研工作者必须能有效提高LiFePO_4-材料的有效导电能力。

目前改进提高磷酸亚铁锂利用率的方法分为：(a)将其粒子纳米化，扩大表面利用率；(b)将合成磷酸亚铁锂原材料与导电碳材料混合球磨，然后在惰性气氛下高温焙烧得到导电性好的正极材料(参见CN1349264A)；(c)在合成原料中掺入少量其它金属离子，如Nb、Zr、Ti等，经充分混合、球磨后高温焙烧，得到导电性能良好的掺杂磷酸亚铁锂材料(Nature materials2002，1，p123～128)。在以上方法中，方法(a)的主要缺点是单一的纳米粒子虽然制备简单，但导电性能差、结构不稳定，因此材料的充放电稳定性不能保证；方法(b)的优点是原料便宜、易得，但其主要缺点是导电碳材料已成型，最后不能得到稳定的纳米磷酸亚铁锂材料，因而不适合于该材料的大电流充放；方法(c)制备出的材料导电性能较好，缺点是成本高、制备条件要求高。为此，开发能够适合大规模合成、制备条件要求不高、能适合大电流充放的导电磷酸亚铁锂材料合成新方法非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的提高磷酸亚铁锂利用率的方法会导致材料充放电性能不稳定，不适合大电流充放或成本高，制备条件要求高等缺陷，提供了一种新的磷酸亚铁锂复合材料及其制备方法和用途。本发明的磷酸亚铁锂复合材料有效地将磷酸亚铁锂前驱体分散到氮掺杂碳纳米管内部，二者在一起焙烧使磷酸亚铁锂与氮掺杂碳纳米管紧密结合，形成了一种适合大电流充放的纳米复合材料，其结构稳定、制备条件易操作，可作为大功率充放的可充锂电池正极活性材料。

本发明的目的之一是提供了一种磷酸亚铁锂复合材料，其包括氮掺杂碳纳米管CN_x与磷酸亚铁锂LiFePO₄，其中所述氮掺杂碳纳米管与所述磷酸亚铁锂的质量比为0.01-0.20∶0.99-0.80，较佳地为0.02-0.20∶0.98-0.8；x为0.05-0.20，较佳地为0.06-0.20。

在本发明一较佳的实施方式中，所述磷酸亚铁锂复合材料由所述氮掺杂碳纳米管与所述磷酸亚铁锂组成。

本发明的氮掺杂碳纳米管CN_x指N元素和C元素摩尔比为0.05-0.20的氮掺杂碳纳米管。在该摩尔比范围内的氮掺杂碳纳米管能够与磷酸亚铁锂较好地协同发挥最佳性能：N/C摩尔比低于0.05，氮掺杂碳纳米管结构过于规整，不利于磷酸亚铁锂在其表面和内部分散；N/C摩尔比高于0.20，氮掺杂碳纳米管结构稳定性迅速下降，降低了整个复合材料使用时的稳定性。

其中，所述的氮掺杂碳纳米管较佳地为竹节状，所述纳米管的外径可根据本领域常规方法进行选择，较佳地为10～500nm。本发明采用的氮掺杂碳纳米管材料可根据王利军等发布的论文制备(氮掺杂竹节状碳纳米管的催化合成.化学学报，2007，65，913～916)，也可在满足本发明要求的基础上从市场购买。

本发明的目的之二是提供了所述磷酸亚铁锂复合材料的制备方法，其包括下述步骤：将磷酸亚铁锂前驱体与水混合，加入氮掺杂碳纳米管，搅拌均匀后在惰性气体保护下烘干；在惰性气体气氛下于550-900℃进行焙烧，冷却即可；其中，所述磷酸亚铁锂前驱体为锂源、铁源和磷源，所述锂源中的锂元素、铁源中的铁元素和磷源中的磷元素的摩尔比为1∶0.9-1.1∶0.9-1.1。

其中，所述水的用量可根据本领域常规方法进行选择以使所述锂源、铁源和磷源形成糊状即可，较佳地为所述磷酸亚铁锂前驱体质量的0.5-5倍。

其中，所述氮掺杂碳纳米管为所述磷酸亚铁锂前驱体质量的1-12％。

其中，所述烘干可根据本领域常规方法进行，烘干温度较佳地为110-130℃。