[发明专利]一种三氟化铁/六氟铁酸锂复合正极材料、制备及其应用

说明书

本发明提供了一种三氟化铁/六氟铁酸锂复合正极材料，由三氟化铁和其表面的六氟铁酸锂层组成。本发明还提供了一种三氟化铁/六氟铁酸锂复合材料的制备方法，包括以下步骤，将氟化铁粉末、无机锂盐和有机溶剂混合在一起，连续搅拌一定时间，低温处理后即可得到三氟化铁/六氟铁酸锂复合材料。本发明针对氟化铁在充放电过程中所发生的活性物质的损失以及氟化铁与电解液直接接触所发生的副反应等问题，将氟化铁颗粒的表层在有机溶剂中原位转化为六氟铁酸锂层，该保护层可以有效地减少氟化铁在循环过程中的容量损失，增强正极材料的循环稳定性，而且本发明提供的方法制备过程简单，成本较低，有利于工业化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种三氟化铁/六氟铁酸锂复合正极材料及其制备方法。

背景技术

以石油、煤炭为主的化石能源已不能满足人类可持续发展的要求，改善能源消费结构，减少对化石能源的依赖势在必行。锂离子电池作为走在科研前沿的新能源储能器件，已经被广泛应用于小型电子产品、电动交通设备、储备电源、航空航天等领域，而现阶段急需能量密度更大、功率更高、寿命更长、绿色环保的锂二次电池以满足各应用领域的飞速发展。

但在锂离子电池的生产中，由于金属钴在正极材料上的大量使用使得电池制作成本偏高。不仅如此，传统的锂离子电池正极材料还存在容量偏低的问题，如钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、三元材料(NCM)以及磷酸铁锂(LFP)等，其实际比容量都在120-160mAh/g之间，这一现状已难以满足人们对锂离子电池高能量、低价格的迫切需求。因此，开发可替代的高容量新型锂离子正极材料已迫在眉睫。

氟化铁作为一种新型的正极材料，充放电机制可以分为两段，在Fe³⁺/Fe²⁺状态下进行的是嵌入脱出反应，在此阶段下其主要的充放电区间为4.5-2.0V，可以发挥243mAh/g的比容量，在之后的放电状态下进行的是转化反应，生成金属铁和氟化锂，在完全放电状态下Fe³⁺/Fe，可以发挥出712mAh/g的比容量，在充放电过程中不会有爆炸等安全隐患。另外三氟化铁具有相对简单的合成工艺，一般采用液相法，无需高温加热，可以大大减少合成过程中的能量消耗，另外其所需原料丰富且廉价，相对于传统正极材料有很大优势。

然而，氟化铁作为锂离子电池正极时，由于其本身氟铁键的能隙较宽，导致其导电性较差，同时在发生转化反应时，也具有较大的体积膨胀问题。近年来的研究发现氟化铁在长期循环过程中会有活性物质中的铁移动到负极，从而造成活性物质的损失，另外氟化铁与电解液的直接接触会导致一些副反应的发生，这些原因均会影响氟化铁循环性能。

为解决这些问题，有研究者通过氟化铁与石墨烯复合的方法，利用石墨烯优良的导电性来改善氟化铁的电化学性能(Journal of Power Sources，2015，283：204-210)；也有研究者使用大量石墨与氟化铁进行球磨的方法，利用大量的石墨碳来提高氟化铁的电化学性能(The Journal of Physical Chemistry C，2010，114(7)：3190-3195)。但是这些方案通常合成过程较长，并且部分原料较昂贵，另外由于使用较多的碳材料，也会导致所组装的电池能量密度下降的问题。因此，通过简便的合成工艺来获得一种具有长循环以及高容量的改性氟化铁正极材料已经成为氟化铁应用于锂离子二次电池正极材料的关键。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种三氟化铁/六氟铁酸锂复合正极材料。

本发明的第二目的在于，提供一种所述的三氟化铁/六氟铁酸锂复合正极材料的制备方法。

本发明的第三目的在于，提供所述的三氟化铁/六氟铁酸锂复合正极材料的应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种三氟化铁/六氟铁酸锂复合正极材料，包括三氟化铁内核，以及包覆在三氟化铁内核表面的六氟铁酸锂外壳。