[发明专利]一种磷酸盐/碳复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸盐/碳复合材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池正极材料以及电化学技术领域。

背景技术

锂离子电池作为二次绿色电池已在包括手机和笔记本电脑在内的便携式电子消费品市场占据重要位置，并开始扩展至电动汽车、电动工具、智能电网、分布式能源系统、航空航天、国防等领域，成为21世纪最有应用价值的储能器件之一。就目前情况来看，锂离子电池正极材料的容量远低于负极材料，这给电子产品和电动汽车的市场化带来一定的困难。因此，对正极材料的广泛深入研究已经成为开发高性能锂离子电池材料的关键所在。其中，传统层状氧化物LiCoO₂的容量较高、循环寿命长，但是钴资源匮乏、价格昂贵且具有毒性，因此寻求价格低廉、性能可靠、环境友好的正极材料成为锂离子电池的重要研究方向。近年来，磷酸盐因价格低廉、结构稳定、资源丰富且无环境污染，较高的电压平台和较高的容量等优点成为开发的热点。但是已报道的磷酸盐制备过程中通常引入磷酸二氢铵等磷源，煅烧时会释放出氨气等腐蚀性气体，不利于环保，限制了其竞争优势和广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种磷酸盐/碳复合材料及其制备方法与应用。

本发明提供的一种磷酸盐/碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：锂盐、过渡金属盐和植酸进行反应得到反应产物；所述反应产物与碳源经煅烧即得所述磷酸盐/碳复合材料。

上述的制备方法中，所述锂盐可选自氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂和硝酸锂中的至少一种；所述过渡金属盐可选自锰盐、铁盐、钴盐、镍盐和钒盐中的至少一种；所述反应的溶剂可选自水、乙醇、乙二醇和苯甲醇中的至少一种。

上述的制备方法中，所述锰盐可为硫酸锰或硝酸锰；所述铁盐可为硫酸亚铁或醋酸亚铁；所述钴盐可为氯化钴；所述镍盐可为氯化镍；所述钒盐可为钒酸铵。

上述的制备方法中，所述植酸中的磷元素、过渡金属盐中的过渡金属元素与锂盐中的锂元素的摩尔份数比可为1∶(0.66～1)∶(1～3)，具体可为1∶1∶1、1∶1∶2、1∶0.67∶1.33、1∶1∶3、1∶0.83∶1、1∶0.83∶1.17、1∶1∶2或1∶0.67∶1。

上述的制备方法中，所述碳源选自葡萄糖、蔗糖、聚苯乙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇、炭黑、石墨和聚乙二醇中的至少一种，所述碳源与所述反应产物的质量份数比可为1∶(1～99)，具体可为1∶1、1∶4、1∶5、1∶10、1∶15、1∶25、2∶65、1∶40、1∶50或1∶99。

上述的制备方法中，所述反应的温度可为140℃～220℃，具体可为140℃、150℃、160℃、165℃、170℃、180℃、200℃、210℃或220℃；时间可为1小时～72小时，具体可为4小时、8小时、12小时、18小时、20小时、24小时、36小时或48小时；所述煅烧在氩气、氮气和氢氩混合气氛中的任意一种气氛下进行；所述煅烧的温度为400℃～900℃，具体可为400℃、450℃、500℃、570℃、600℃、625℃、700℃、800℃、850℃或900℃，时间为3小时～24小时，具体可为4小时、5小时、6小时、8小时、9小时、10小时、12小时或24小时。

本发明还提供了由上方法制备的磷酸盐/碳复合材料；所述复合材料为粒径为100nm～2μm的纳微球状，如600nm～1μm、600nm～2μm、100nm～1μm、300nm～1.5μm、500nm～1μm、800nm～1μm、500nm～2μm、300nm～1μm或1μm～2μm的纳微球状。

本发明还提供了上述复合材料在作为锂离子电池正极材料以及在制备能量存储元件中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)本发明采用的磷源为来源广泛的生物质能植酸，相比于传统的磷源磷酸二氢铵在高温处理过程中会释放腐蚀性的氨气等，更为绿色环保；2)所得的磷酸盐/碳复合材料为纳微球，化学成分和物相成分均匀，且材料的振实密度高；3)本方法简单快捷，原料易得，适宜大规模生产，实用化程度高。电化学测试表明采用本发明合成的磷酸盐/碳复合材料，可直接作为电池的电极材料使用，具有重要的应用价值。

附图说明

图1为实施例1制备的磷酸盐/碳复合材料的X射线衍射(XRD)图谱。

图2为实施例1制备的磷酸盐/碳复合材料的扫描电子显微镜照片。

图3为实施例1中制备的磷酸盐/碳复合材料作为锂离子电池正极材料时的充放电曲线。

图4为实施例1中制备的磷酸盐/碳复合材料作为锂离子电池正极材料时在0.1C下的电化学循环性能图。