[发明专利]一种原位氮掺杂包碳磷酸铁锂正极材料的制备方法

说明书

本发明提供一种原位氮掺杂包碳磷酸铁锂正极材料的制备方法。即以石墨相氮化碳（g‑C₃N₄）和铁酞菁（FePc）的轴向配合物为主要氮源和碳源，同时提供部分铁源，原位氮掺杂包碳用以提高材料包覆的均匀性和充放电倍率性能。所述方法主要包含以下步骤：首先通过热解尿素的方式得到g‑C₃N₄，再通过羧基吡啶（Py）将g‑C₃N₄与FePc以轴向配位的方式相结合得到配合物g‑C₃N₄‑Py‑FePc；以乙醇为分散剂，将草酸亚铁、锂源、磷源以及配合物进行球磨分散，再真空干燥处理；所得干燥料经烧结粉碎后制得原位氮掺杂包碳磷酸铁锂正极材料。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料，具体涉及一种原位氮掺杂包碳磷酸铁锂正极材料及其制备方法。

背景技术

随着汽车工业的不断发展，由燃油排放导致的污染问题日益严重，锂电池作为一种新能源电池，受到广大研究者广泛关注。在众多锂电池正极材料中，磷酸铁锂（LiFePO₄）凭借其优异的循环寿命及安全性，在动力汽车正极材料中占据重要作用。但是LiFePO₄材料在实际使用过程中存在的电导率及离子迁移率低的问题限制了其进一步推广运用。近年来，为了提高LiFePO₄材料的电学性能，碳包覆法被认为是一种能够对LiFePO₄材料的性能产生巨大影响的改性技术。

传统的磷酸铁锂碳包覆方法主要是在合成材料的前驱体中加入无机碳材料或有机碳源，进而混料烧结得到碳包覆材料。为了获得颗粒分布均匀、包覆均匀及性能优越的的碳包覆正极材料，添加的无机或有机碳量往往比较多，过多的包覆量又会造成团聚、不易分散和性能不佳等缺点。如何优化碳包覆工艺，更加有效的提高磷酸铁锂正极材料的倍率性能及碳包覆的均匀性尤为关键。

目前还没有过通过原位掺杂氮于碳材中进而用于包覆磷酸铁锂正极材料的相关研究报道。合成的g-C₃N₄与铁酞菁的轴向配合物在提供碳源的同时，可以原位掺杂氮源于碳材中以及部分合成LiFePO₄所需的Fe源，可以最大化合理利用原材料并赋予其优异的电化学性能。其中，由于氮电负性较高，存在于类石墨结构的体系中，经过后续烧结工序均匀有效的掺入碳材中，再随碳材包覆在生成的LiFePO₄表面，掺入的氮，容易在材料表面形成负电中心，便于吸附正电离子，这些正电离子和氮元素形成一种特殊的过渡态，提供了便利的电子转移通道，进一步提高正极材料的导电性能及离子迁移性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高循环性能和良好倍率性能的原位氮掺杂包碳磷酸铁锂正极材料的制备方法，即以同时含有碳源、氮源以及部分铁源的g-C₃N₄-Py-FePc为掺杂体，随前驱体材料一起混入，制备磷酸铁锂正极材料。所述原位氮掺杂包碳磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括如下过程：

（1）将严实密封尿素的于450-550℃下烧结4-6h，自然冷却至室温，并配成固含量为40-50%的分散液，再进行超声剥离处理，经旋蒸、冷冻干燥后，得到50-80nm厚度的层状石墨相氮化碳粉末（g-C₃N₄）；

（2）按照质量比120∶92.4∶1称取步骤（1）的g-C₃N₄、以及羧基吡啶（Py）和铁酞菁（FePc），加入到四氢呋喃溶剂中，在避光黑暗条件下，于50-70℃恒温反应6-9h，经离心冷冻干燥后得到g-C₃N₄与铁酞菁的轴向配合物g-C₃N₄-Py-FePc；