[发明专利]一种石墨烯基LiFePO4/C复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯基LiFePO₄/C复合材料的制备方法。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着经济和社会的不断发展，世界对能源的需求量也在不断增加。在如今全球气候变暖和生态环境不断恶化的情况下，锂离子电池作为一种绿色能源也就受到了越来越多的关注。

磷酸铁锂由于具有较高的电压平台（3.4~3.5V）、较高的理论容量（为170mAh/g）、循环性能好（优化条件下合成的LiFePO₄可循环2000次以上）、稳定性好、高温性能好、安全性能好、合成过程简单、对环境友好，无毒、原料丰富等特点备受人们的关注。

但是，由于磷酸铁锂结构的独特性阻隔了电子的传导，使得磷酸铁锂的电子电导率很低(10^-9S·cm^-1)，导致其电化学性能差。人们往往通过在磷酸铁锂颗粒的表面包覆一层导电碳来提高其导电性。如中国专利（CN101483236）公开了一种锂离子电池正极材料磷酸亚铁锂/碳复合物的制备方法，该方法将氢氧化氧铁、锂盐、磷盐，按照化学计量比混合，加入适量碳源及液态球磨介质，球磨，干燥后的混合物在一定温度下反应，最终得到磷酸亚铁锂/碳复合物。

石墨烯是近几年非常热门的碳家族的一种新材料，其厚度只有0.335nm，具有独特的电子结构和电学性质。石墨烯的能带结构中价带和导带在费米能级的六个顶点上相交，从这个意义上说，石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性。在单层石墨烯中，每个碳原子都贡献出一个未成键的电子，这些电子可以在晶体中自由移动，赋予石墨烯非常好的导电性。石墨烯中电子的典型传导速率达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般半导体的传导速度。因此，恰当而又巧妙地将石墨烯优异的导电性能与磷酸铁锂特殊的电化学性能结合起来，开发石墨烯改性磷酸铁锂正极复合材料成为可能。如中国专利（CN101752561A）公开了一种石墨烯改性磷酸铁锂正极活性材料及其制备方法和基于该正极活性材料的锂离子二次电池，该方法是将石墨烯或氧化石墨烯与磷酸铁锂分散于水溶液中，通过搅拌和超声使其均匀混合，随后干燥得到石墨烯或氧化石墨烯复合的磷酸铁锂材料，再通过高温退火最终获得只是简单的石墨烯改性处理的磷酸铁锂正极活性材料。

发明内容

本发明提供一种石墨烯基LiFePO₄/C复合材料的方法，以解决现有磷酸铁锂制备工艺技术的不足及磷酸铁锂正极材料导电性差，倍率性能差的问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

1）制备分散有氧化石墨烯的铁盐溶液

用氧化石墨烯、铁盐，按氧化石墨烯与铁元素质量比0.1~0.3∶1的比例溶于去离子水中，经超声波分散，得到分散有氧化石墨烯的铁盐溶液；

2）制备磷酸铁/氧化石墨烯前驱体

将步骤1）中制备的分散有氧化石墨烯的铁盐溶液与磷酸盐溶液混合得到反应混合液，其反应混合液中Fe∶P的摩尔比=1∶1~1.2，调节反应混合液的pH至2~4，控制温度至60℃~80℃反应，得到乳浊液，将所述乳浊液过滤、洗涤，干燥，得到磷酸铁/氧化石墨烯前躯体；

3）制备石墨烯基LiFePO₄/C复合材料

以步骤2）得到的磷酸铁/氧化石墨烯前驱体与锂盐按照物质的量之比Li∶Fe=1~1.05∶1进行配料，加入碳源后经球磨，然后在还原性气氛条件下于600℃~700℃条件下烧结，得到石墨烯基LiFePO₄/C复合材料。

本发明优选的实施方式为：

所述步骤1）中分散有氧化石墨烯的铁盐溶液中铁离子浓度为0.5~2mol/L。

所述步骤1）中超声波分散2~5小时。

所述步骤2）中反应时间为3~6小时；所述步骤2）中烧结时间为5~10小时。

本发明的原理为通过将氧化石墨烯与三价铁溶液进行超声分散处理，带正电荷的Fe³⁺由于静电力吸附于氧化石墨烯片层之上。利用加入磷酸盐与Fe³⁺反生沉淀反应，使生成的磷酸铁晶体在氧化石墨烯片层上原位形核并生长，进而得到磷酸铁/氧化石墨烯前驱体。在此过程中，氧化石墨烯提供了模板。然后采用高温热处理的方法得到表面碳包覆，石墨烯改性的磷酸铁锂正极材料，石墨烯极大程度地降低了磷酸铁锂颗粒之间的接触电阻，从而增强了材料的导电性。