[发明专利]一种磷酸铁锂类石墨烯复合材料合成方法

说明书

本发明提供了一种磷酸铁锂类石墨烯复合材料合成方法，所述合成方法包括：将有机氮源溶液、有机碳源溶液、铁源、锂源和磷源混合，以便得到第一混合液；将第一混合液依次进行球磨和离心，以便得到正极材料前驱体；将正极材料前驱体进行烧结处理，以便得到所述复合正极材料。由此，磷酸铁锂可以完全均匀的嵌入到类石墨烯结构的碳层中，得到类石墨烯‑磷酸铁锂复合正极材料，即磷酸铁锂表面包覆一层二维掺氮碳材料薄膜，一方面掺氮可以提高复合正极材料的电子电导率，进而提高能量存储能力，另一方面，类石墨烯结构将磷酸铁锂颗粒连接起来，大大弥补了磷酸铁锂自身电导率低的缺陷。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体的，涉及类石墨烯-磷酸铁锂复合正极材料及其制备方法和电池。

背景技术

随着锂离子电池在动力汽车和电网储能领域的广泛应用，锂离子电池正负极材料的研究吸引了越来越多的关注。目前，研究最广泛的正极材料包括尖晶石型LiMn₂O₄、层状结构三元材料和橄榄石型LiFePO₄，其中LiFePO₄在安全性和循环稳定性上具有明显优势，由于P与O之间共价键较强，使O原子及时在加热或过充条件也很难脱出，因而材料的安全稳定性极好，适用温度范围较广，可接受大电流充放电，循环寿命达2000次以上，同时由于其原料来源广泛、对环境污染小等优点，成为动力型锂离子电池正极材料的首选。

然而，磷酸铁锂自身的晶体结构决定了其较低的电子电导率，比商品化的LiC_OO₂低6～7个数量级。目前碳包覆是改善磷酸铁锂性能的重要途径，磷酸铁锂/碳复合材料的合成方法多种多样，石墨烯因其二维结构具有良好的导电性，很适合作为导电添加剂，将二者复合，制备磷酸铁锂/石墨烯复合材料的报道层出不穷，但大多受到石墨烯和磷酸铁锂颗粒分散性的影响，材料稳定性不佳。

因此，关于锂离子电池正极材料的研究有待深入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种制备类石墨烯-磷酸铁锂复合正极材料的方法，该方法便于操作，工艺成熟，易于工业化生产，制备得到的复合正极材料的电子电导率较高，或有效提高锂离子电池的使用性能。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种制备类石墨烯-磷酸铁锂复合正极材料的方法。根据本发明的实施例，上述制备方法包括：将有机氮源溶液、有机碳源溶液、铁源、锂源和磷源混合，以便得到第一混合液；将所述第一混合液依次进行球磨和离心，以便得到正极材料前驱体；将所述正极材料前驱体进行烧结处理，以便得到所述复合正极材料。由此，在球磨的作用下，有机氮源溶液、有机碳源溶液、铁源、锂源和磷源充分的均匀，进而通过离心得到混合均匀的正极材料前驱体(固体混合物)，在烧结的过程中有机氮源溶液中的有机氮源和有机碳源溶液中的有机碳源经过一系列的缩聚、热分解等反应得到不规则的掺氮的二维碳层，即类石墨烯结构，且在烧结过程中铁源、锂源和磷源反应得到磷酸铁锂，如前所述正极材料前驱体中的各个材料分布均匀，所以得到的磷酸铁锂可以完全均匀地嵌入到类石墨烯结构的碳层中，得到类石墨烯-磷酸铁锂复合正极材料，即磷酸铁锂表面均匀包覆一层二维掺氮碳材料薄膜，如此，类石墨烯结构将磷酸铁锂颗粒连接起来，大大弥补了磷酸铁锂自身电导率低的缺陷，同时，氮元素掺杂更提高了材料的导电性和比容量。根据本发明的实施例，所述第一混合液是通过以下步骤得到的：将所述有机氮源溶液、铁源、锂源和磷源混合，以便得到第二混合液；将所述有机碳源溶液和所述第二混合液混合，以便得到所述第一混合液。

根据本发明的实施例，所述有机氮源溶液中有机氮源的浓度为5～10g/L，所述有机碳源溶液中有机碳源的浓度为2～5g/L。

根据本发明的实施例，所述有机氮源与所述有机碳源的摩尔比为1:1～5:1；任选的，所述铁源、所述锂源和所述磷源中铁、锂和磷的摩尔比为1:1:1；任选的，所述有机氮源和所述有机碳源的总质量占磷酸铁锂的质量的5％～50％。