[发明专利]一种纳米级磷酸铁锂/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用正极材料的技术领域，涉及一种石墨烯基LiFePO₄正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好等优点、因此在数码相机、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品中得到广泛应用，对于电动自行车和电动汽车也具有应用前景。目前商品化的锂离子电池一般采用钴酸锂、锰酸锂、三元层状材、磷酸铁锂(LiFePO₄)作为正极材料。在这些材料中LiFePO₄由于原料来源广、安全性高、绿色环保等突出优点，被认为是电动汽车用电池最理想的正极材料之一。但LiFePO₄材料中锂离子的扩散为一维扩散，因此锂离子电导率低，使得该材料的功率密度较低。改善其性能的有效方法之一是通过减小LiFePO₄的颗粒尺寸来减小锂离子的扩散距离。因此，制备纳米尺寸的LiFePO₄是提高其性能的方法之一。另外，通过碳包覆提高其电导率也是提高LiFePO₄性能的方法。石墨烯作为一种特殊的碳材料，由于其电导率高，比表面积大，被常用于与LiFePO₄复合，提高其电化学性能。

目前，合成纳米尺寸的LiFePO₄主要采用水热或溶剂热法，如公开号为CN 101740756A的中国专利文献公开了一种纳米级的动力电池正极材料LiFePO4的制备方法，利用水热法结合反应条件的控制来制备纳米级LiFePO₄。将含Li⁺的溶液、含Fe²⁺的溶液、含PO₄^3-的磷酸或磷酸盐溶液、聚乙二醇充分搅拌，然后放置到反应釜的聚四氟乙烯或搪瓷内衬中加热反应；将反应釜中所得产物进行抽滤，经过两次干燥得到纳米级的LiFePO₄。

刘洋(刘洋,纳米LiFePO₄的尺寸控制及其机理研究,东华大学,博硕论文,2013年1月.)采用溶剂热法，以氢氧化锂为Li源，七水合硫酸亚铁为Fe源，磷酸为PO₄^3-源，采用乙二醇为溶剂，在180℃的水热反应釜中反应12h，制备出具有正交晶系Pnma空间群的橄榄石结构LiFePO₄。

由于水热法或溶剂热法得到的LiFePO₄往往颗粒较小，且形貌不规则，很难被片层的石墨烯均匀包覆。本申请通过控制反应条件，得到取向型的LiFePO₄纳米片，实现其被石墨烯均匀包覆，从而提高电化学性能。

发明内容

本发明通过在合成过程中通过严格控制溶剂热反应中原料的摩尔比及反应温度，制备得到取向生长的LiFePO₄纳米片，通过表面石墨烯的优化包覆，得到LiFePO₄/石墨烯复合材料，并通过石墨烯的粘结作用，形成团聚状LiFePO₄/石墨烯，制备工艺简单可控，能耗低、成本低，适合于大规模工业化生产。制备结果表明，纳米级的LiFePO₄/石墨烯复合材料具有优异的大电流循环稳定性，可作为锂离子电池的正极材料使用。

一种纳米级磷酸铁锂/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)分别配制0.3～3mol/L LiOH/乙二醇溶液和0.2～2mol/L H₃PO₄/乙二醇溶液，其中LiOH和H₃PO₄的摩尔数之比为3～3.6:2，将前者快速滴入到后中，得到悬浮液a；

(2)将FeSO₄溶于乙二醇中，得到0.1～1mol/L溶液b，FeSO₄和H₃PO₄的摩尔数之比为1～1.2:2；

(3)将溶液b和溶液a混合，搅拌均匀后转移至反应釜中，在150～200℃下进行溶剂热反应5～15h，经冷却得到沉淀，再经离心、干燥，得到纳米结构的磷酸铁锂LiFePO₄材料；