[发明专利]一种磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料制备技术领域，更具体地，涉及一种磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

磷酸铁锂（LiFePO₄）是当前动力型锂离子电池应用中最具前景的正极材料，该材料具有原料丰富、价格适中、环境友好、安全性高、循环性能稳定等诸多优点；然而，LiFePO₄的电子导电率和锂离子扩散速率均较低，导致其在大电流充放电时容量较低，即是高倍率性能较差，很大程度上制约了该材料在动力电池领域的应用和推广。

采取高导电材料（例如无定形碳和导电聚合物）包覆和设计纳米颗粒，能够有效改善LiFePO₄的电子导电率，从而相当程度提高了倍率性能。但是，导电材料的紧密包覆结构大大降低了LiFePO₄材料的锂离子传导能力，而纳米颗粒方案更加导致了LiFePO₄材料的实际振实密度大幅降低。众所周知，锂离子电池电极材料的离子传导能力和振实密度，在实际应用中与电池的功率密度和能量密度是紧密相关的。因此，在开发“导电材料”包覆型LiFePO₄材料过程中，有效提高材料的“电子导电率”的同时，确保较高的“离子传导率”和理想的“振实密度”是非常必要的。

通常，如果LiFePO₄材料的颗粒越小，包覆物质越多，其振实密度就会越低。特别是不规则形状的LiFePO₄包覆纳米颗粒，其振实密度一般都不高于1.0gcm^-3。因此，开发一种具有规则形状的LiFePO₄材料，在提高振实密度和能量密度上是一个很好的选择。在众多规则形状中，球形是一种形貌规整、流动性良好的结构。明显地，相对传统结构，球形LiFePO₄材料具有以下几大潜在优势：（1）球形结构能实现紧密堆积，即“振实密度”能大大提高，因此可制备出高能量密度电极；（2）球体表面光滑、比表面积低，减少了与电解液副反应的发生，提高了首次充放电效率；（3）在安全性能方面球形材料较有较大的提高，尤其在高温条件下，电极的厚度不增加。综上所述，开发一种由微小球形LiFePO₄和导电材料构成的包覆型LiFePO₄微球复合电极材料是应用前景明朗的发展策略之一。

此外，如果LiFePO₄材料的包覆层越厚，锂离子扩散到LiFePO₄材料内部的速率就越慢，包覆层越紧密，锂离子的传导能力就越低。因此，选择一种导电率高和结构超薄的包覆材料，对提高LiFePO₄材料的离子传导能力和电极功率密度是至关重要的。目前，最新发展的“石墨烯”纳米片有望成为新一代高性能LiFePO₄包覆材料，归功于其超薄二维结构、超高电导率以及优异物理化学稳定性，石墨烯包覆LiFePO₄材料已经得到了广泛关注。但是，当前报道的大多数石墨烯包覆结构都非常致密，特别是一片较大的石墨烯纳米片往往会完全紧密地包裹住一个LiFePO₄纳米颗粒，导致锂离子扩散受阻，不利于倍率性能的提高。因此，开发一种具有大孔网络结构的三维石墨烯材料，构建出不完全包覆、部分开放的LiFePO₄/三维石墨烯复合结构，将更加有利于提高电极材料高倍率性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料的制备方法。

本发明的第二个目的是上述方法制备得到的磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料。

本发明的第三个目的是提供上述磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.球形铁源的制备：将磷酸铁和糖类多羟基化合物按质量比为1：0.1～0.5混合在100～150℃温度下进行水热反应，洗涤干燥获得球形铁源；

S2.将S1制备获得的球形铁源、锂源和氧化石墨烯按一定比例混合后，在惰性气氛下进行高温热反应即得磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料；所述球形铁源与氧化石墨烯的质量比为1：0.1～0.5。