[发明专利]一种磷酸锂铁基复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种磷酸锂铁基复合材料及其制备方法与应用。本发明的复合材料为氮化镓包覆的磷酸铁锂纳米片层结构，该结构与颗粒状结构相比大大缩短了锂离子扩散路径，且氮化镓具有高载流子迁移速率、良好的热稳定性和化学稳定性等优势，可以大大提高磷酸铁锂的电导率，同时也起到了很好地隔离磷酸铁锂和电解液的效果，有利于磷酸铁锂保持其结构稳定性，使得将该复合材料具有超高的倍率性能及超高倍率下的循环稳定性，可用作锂离子电池正极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种磷酸锂铁基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

清洁高效的能量存储与转化技术是现代社会发展的基石，二次电池作为能量转换效率最高的储能体系之一，受到了越来越多的关注。在众多的二次电池体系中，锂离子电池因具有高能量密度、低自放电率、宽使用温度、长循环寿命、环境友好、无记忆效应等优势而成为二次电池中的佼佼者。锂离子电池的关键成分之一便是正极材料，目前已经商业化的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂材料等，其中，钴酸锂因钴元素的稀缺而导致价格较高，另外其安全性能也较差，锰酸锂材料的循环性能相对较差，三元材料的稳定性保持上相对不完善，而磷酸铁锂材料具有较为平稳的充放电平台，且成本低廉，环境友好，成为当前研究的热点。

但磷酸铁锂正极材料也有其自身的缺陷，如离子扩散速率慢，电子导电率低等，从而导致其倍率放电能力差，功率密度小。针对这两方面的问题，常用的改进方法是对正极材料表面进行包覆改性，常见的包覆材料是导电碳材料，以期能够改善磷酸铁锂的导电性，并能阻止磷酸铁锂晶粒的长大，利于纳米尺寸粉体的制备，从而实现锂离子电池的高倍率。但事实证明无论采用哪种包覆方式，都会对磷酸铁锂的电化学性能产生不利影响。因此，如何有效提升磷酸铁锂正极材料的离子扩散速率和电子导电率，从而提高其倍率性能，是本领域亟待解决的一个技术难题。

发明内容

鉴于此，本发明要解决的技术问题是现有的磷酸铁锂正极材料因电子电导率低、锂离子扩散速率慢而导致倍率性能不佳，进而提供一种磷酸铁锂基复合材料，该复合材料为氮化镓包覆的磷酸铁锂纳米片层结构，纳米片层结构降低了锂离子的扩散阻力，氮化镓包覆提高了材料整体的导电性和结构稳定性，使得将该复合材料具有超高的倍率性能及超高倍率下的循环稳定性，可用作锂电池正极材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种磷酸铁锂基复合材料，包括内核以及包覆所述内核的包覆层，所述内核为具有纳米片层结构的磷酸铁锂，所述包覆层的材料为氮化镓。

可选地，所述具有纳米片层结构的磷酸铁锂的平面尺寸为100～2500nm²。

可选地，在所述磷酸铁锂基复合材料中，镓元素与铁元素的摩尔比为0.05～0.2：1。

另一方面，本发明还提供了一种磷酸铁锂基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将磷源、铁源、锂源、表面活性剂与水混合均匀，调节pH值为5～6，在水热条件下发生反应，待反应结束后，收集固相，干燥，即得具有纳米片层结构的磷酸铁锂；

采用化学气相沉积方法在所述具有纳米片层结构的磷酸铁锂表面沉积氮化镓包覆层。

可选地，所述表面活性剂为十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或多种。

可选地，所述表面活性剂中的氮元素与所述铁源中的铁元素的摩尔比为0.06～0.12：1。

可选地，所述水热条件包括，温度为150～170℃，反应时间为8～10h。

可选地，所述铁源中的铁元素与所述磷源中的磷元素、所述锂源中的锂元素的摩尔比为1：1：1.05～1.2。