[发明专利]一种多孔碳层包覆磷酸铁锂材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔碳层包覆磷酸铁锂材料的制备方法，以含离子液体的Fe‑MOFs纳米材料作为铁源和碳源，将所述含离子液体的Fe‑MOFs纳米材料与磷源、锂源混合均匀后，在惰性气氛下固相烧结，得到多孔碳层包覆的磷酸铁锂材料。本发明制备的多孔碳层包覆磷酸铁锂材料可以作为锂离子电池正极材料，其组装的电池具有倍率性能好，循环寿命长、低温性能好等特点。

技术领域

本发明涉及磷酸铁锂材料制备技术领域，尤其涉及一种多孔碳层包覆磷酸铁锂材料及其制备方法和应用。

背景技术

磷酸铁锂(LiFePO₄)作为锂离子电极材料起源于1997年Goodenough等首次将橄榄石型的LiFePO₄引入锂离子电池正极材料的研究中。LiFePO₄被广泛认为是大电流锂离子可充放电池中极具前景的材料。LiFePO₄的优势在于理论容量为170mAh/g，充电速度快(1.5C条件下30min左右就可以充满)，耐高温(350～500℃)，良好的结构稳定性，原料来源广泛，价格便宜，环境友好等。然而LiFePO₄内部锂离子扩散速率慢(10^-14～10^-15cm²/s)、内部电化学反应速率慢，很大程度降低了其导电性，对其大规模的商业化应用也是极大的阻碍。通过碳包覆可以一定程度上改善磷酸铁锂材料的导电性，因此，碳包覆磷酸铁锂材料作为锂离子电池正极材料已经得到了广泛的应用。

离子液体是一种熔点低于100℃的盐，由有机阳离子和无机或有机阴离子组成。咪唑类、吡啶类、烷基铵盐类和烷基磷酸盐类是最常用的离子液体。根据其理化性能的不同还可以把离子液体分为氯铝酸类、亲水性、疏水性等离子液体与固态物质相比较，离子液体流动性好；与传统液态物质相比较，它由离子组成，具有良好的化学和电化学稳定性。因而，离子液体与其他固液材料相比，不但展现出独特的物理化学性质，而且还具有一些特有的功能：不易挥发，热稳定性较好，溶解能力强，电势窗大和高离子电导率等一系列优点。离子液体可以根据需要自由组合阴阳离子作溶剂，由于电化学性能好且具有较宽的电化学窗口，还可以作为锂电池的电解质。因此，离子液体是一类值得研究的材料。

目前，已经有研究将离子液体作为碳源制备碳包覆磷酸铁锂材料。例如，专利“微波裂解离子液体法制备碳包覆磷酸铁锂的方法”和论文《微波裂解离子液体法包覆磷酸铁锂碳膜工艺和机理的研究》中将离子液体作为合成碳包覆磷酸铁锂的碳源使用；离子液体作碳源包覆有以下特点：首先，离子液体具有一定的碳链结构，蒸汽压小易包覆均匀；其次，离子液体离子电导率较好，其中咪唑类离子液体的电导率可达10^-2S/cm数量级，比纯LFP高出了10个数量级；再次，离子液体中的杂原子在碳化时可对LFP形成杂原子掺杂效应，在碳包覆的同时实现掺杂改性；最后，离子液体有数万种，可根据需要选择组合阴阳离子，具有结构的可调性。但是，这些研究仅仅局限于将离子液体直接替代碳源使用，对磷酸铁锂材料的整体电化学性能提升效果有限。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种多孔碳层包覆磷酸铁锂材料及其制备方法和应用。

本发明提出的一种多孔碳层包覆磷酸铁锂材料的制备方法，以含离子液体的Fe-MOFs纳米材料作为铁源和碳源，将所述含离子液体的Fe-MOFs纳米材料与磷源、锂源混合均匀后，在惰性气氛下固相烧结，得到多孔碳层包覆的磷酸铁锂材料；

所述含离子液体的Fe-MOFs纳米材料是以可溶性铁盐、多羧酸配体和邻菲罗啉为原料，以离子液体为模板，采用水热反应合成得到。

优选地，所述含离子液体的Fe-MOFs纳米材料的制备方法为：将可溶性铁盐、多羧酸配体和邻菲罗啉溶解在去离子水中，然后加入离子液体，混合均匀后进行水热反应，冷却、洗涤、烘干，即得。

优选地，所述多羧酸配体、邻菲罗啉与可溶性铁盐中的铁元素的摩尔比为(1～2)：(1～2)：(5～8)。