[发明专利]一种高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料及其制备方法，属于功能高分子材料技术领域。本发明的复合电极材料包括如下重量份的原料：自由基化乙烯马来酸酐共聚物10～30份、磷酸铁锂50～80份、碳纳米管10～30份。本发明突破了传统磷酸铁锂复合电极材料功率密度低、非活性成分含量高、结构笨重、力学性能差、工艺繁琐等局限，制备的复合电极材料应用于锂离子电池正极材料具有力学性能好，能量密度高，充放电速率快，循环寿命长等优点。

技术领域

本发明涉及功能高分子材料技术领域，特别是涉及一种高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展，新型高效的储能设备具有愈来愈迫切的发展需求，对于能量密度、功率密度、循环寿命、便携性和成本等要素提出更高的要求。有机自由基电池是一类使用有机自由基作为储能活性成分的新型电池，具有功率密度高，循环寿命长，电极材料结构可修饰性强、质轻环保等优势，但存在能量密度低等问题。而传统锂离子电池一般使用过渡金属化合物作为电极材料，能量密度较高，但存在功率密度低，来源有限，不可再生等问题。已有研究将前述两种电池材料有机结合，以期开发高功率高能量密度电极。A.Vlad等人设计制备自由基聚合物PTMA和磷酸铁锂的复合正极材料，实现了5C下的快速充放电；G.Dolphijn等研究了PTMA和锰酸锂的复合正极材料，表现出优异的能量-功率性能以及循环稳定性。此类电极材料一般使用刮涂法制备，即将含有粘结剂、磷酸铁锂或锰酸锂、自由基聚合物和导电碳材料的混合浆料涂覆于铝箔等基底上，经烘干而得到。但刮涂法制备的电极材料具有明显的不足。另外，该类电极中非活性成分含量较高，基底(铝箔等金属基底居多)、粘结剂(常用的有聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠等)没有储能功能但质量占比较高，导致电极能量密度降低；自由基聚合物用量较多，不利于能量密度的提高；电极涂层内部相互作用力有限，导致涂层厚度有限，不利于制备高载量电极材料；且力学性能差，没有柔性，经多次弯折之后电极涂层容易脱落，不能满足新型柔性电子器件的应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料及其制备方法，以解决电极能量密度低、涂层厚度有限、力学性能差、没有柔性等问题，本发明制得的磷酸铁锂复合电极材料具有功率高、能量密度高、循环寿命长、倍率性能优异和力学性能良好等优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料，包括如下重量份的原料：自由基化乙烯马来酸酐共聚物10～30份、磷酸铁锂50～80份、碳纳米管10～30份。

进一步地，所述高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料为柔性三维三元共连续相结构；所述复合电极材料中自由基化乙烯马来酸酐共聚物和磷酸铁锂的总含量优选为70～90％wt。

进一步地，所述自由基化乙烯马来酸酐共聚物(PETM)的结构式为：

自由基化乙烯马来酸酐共聚物平均每个重复单元包含1个氮氧自由基，理论比容量为90mAh/g；具体制备过程见申请号为201711478167.9的专利；自由基化乙烯马来酸酐共聚物既有粘结功能，又有储能功能。

进一步地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管。

本发明提供一种所述的高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

将自由基化乙烯马来酸酐共聚物完全溶解在有机溶剂中；加入磷酸铁锂粉末和碳纳米管混合均匀，浇注到玻璃模具中，待有机溶剂完全挥发后，得到具有特定形状的高功率高能量密度磷酸铁锂复合电极材料。

进一步地，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、六氟异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。

进一步地，所述自由基化乙烯马来酸酐共聚物与有机溶剂的质量比为5:1000。