[發明專利]液相合成-微波固相燒結法合成LiFePO4/CG復合正極材料

無效

• 申請號: 200910057422.1
• 申請日: 2009-06-16
• 公開（公告）號: CN101572304A
• 公開（公告）日: 2009-11-04
• 發明（設計）人: 徐云龍;陶麗麗;趙崇軍;錢秀珍;徐永剛;張書誠;周雷;黃華慶
• 申請（專利權）人: 上海微納科技有限公司
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/58;H01M4/66
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技術領域

本發明涉及鋰離子電池中一種LiFePO₄/CG(炭凝膠)復合正極材料及其制備方法，屬于電池材料制備技術領域。

背景技術

目前，商品化鋰離子電池的正極材料主要為LiCoO₂，但是Co在自然界中含量較少，價格昂貴，其未來發展受到制約。因此，尋找性能優異，價格低廉的正極材料是一項非常迫切的任務。由于LiFePO₄具有價格低廉、安全性能和熱穩定性能好、無污染和質量比能量高等優點，因而成為最有潛力的鋰離子正極材料之一。不過，LiFePO₄材料的缺點在于其電子導電率和離子擴散速率很低，對于受導電率和鋰離子擴散速率控制的電化學過程而言，這極大地限制了LiFePO₄正極材料的電化學性能。因此研究者們通過多種方法對LiFePO₄進行改性以改善其電化學性能，其中碳包覆是一種簡單有效的技術，它可以有效地提高LiFePO₄材料的電子導電性，從而提高LiFePO₄的電化學性能。可用作碳包覆的碳源種類很多，炭凝膠(包括炭氣凝膠CRF、炭干凝膠CX和炭冷凍凝膠CC)是其中的一類，炭凝膠中的CRF(炭氣凝膠)作為唯一具有導電性的氣凝膠，具有孔隙率高、孔隙尺寸小、比表面積大、電導率高(25S·cm^-1，為普通導電碳材料的1,000～10,000倍)、孔徑大小及分布可控等特點。炭凝膠的連續介孔結構使得其可以作為骨架材料應用于電極材料的制備中，有利于活性材料在骨架上的附著和成核，從而有效抑制活性材料顆粒的團聚。此外，由于炭凝膠的導電性，它們將起到微集流體的作用，從而降低電極的內阻，這一點對于提高電極和電池的充放、特別是大電流充放的性能非常有利。目前有關LiFePO₄/CG(炭凝膠)復合材料研究已有報導，而且材料的性能良好。但這些工作中普遍采用傳統的燒結工藝，所需時間達到10小時以上。

傳統燒結工藝耗時、耗能，且燒結過程容易使得晶粒不斷長大，因此國內外的眾多研究小組已經開展了微波燒結技術在LiFePO₄合成中的應用研究。目前采用微波燒結合成LiFePO₄時，往往采取外加吸波材料(活性碳等)的方法來實現。該技術往往涉及微波處理前LiFePO₄需壓制成型、壓制成型的LiFePO₄在吸波材料中包埋、微波處理后LiFePO₄與吸波材料的分離、以及分離后的LiFePO₄的重新粉末化等工序，因此工序較多，易導致生產成本的提高。如果采用CG作為碳源結合微波燒結合成LiFePO₄/CG復合正極材料，則可以很好地結合CG和微波燒結的優點。首先，因為CG是良好的微波吸收材料，因此可以作為微波吸收材料來實現對LiFePO₄的焙燒處理，其次，由于CG與LiFePO₄充分均勻地混合在一起，因此LiFePO₄能夠得到均勻的微波場作用，這一點對于獲得均勻穩定性能的材料非常關鍵。第三，基于反應產物中微波吸收材料炭凝膠的存在，還可以讓我們采用連續型的微波燒結裝置進行LiFePO₄復合材料的連續生產，因此，不但可以提高生產效率，而且可以提高產品的穩定性。

發明內容

本發明旨在提供一種工藝簡單、生產過程無污染、產率高、適合工業化生產的制備高性能LiFePO₄/CG復合正極材料的方法。針對LiFePO₄本身離子擴散系數和電子電導性低的缺點，開發了一種具有高比容量、高能量密度和優良循環穩定性，能適合大電流充放電的鋰離子動力電池正極材料，并為該LiFePO₄/CG復合正極材料提供了一種新型、高效、簡單的合成方法。

CG是一種結構可控的多孔材料，具有比表面積大、導電性能好及溫度窗口寬等特點。本發明利用CG的孔結構、成核促進作用以及導電作用，采用液相合成-微波固相燒結法制備了LiFePO₄/CG復合正極材料。其技術原理包括：

(1)在液相法合成前驅體的過程中，利用CG的促進成核作用，合成晶粒細小的前驅體；

(2)燒結時采用連續型微波燒結裝置，從而可以保證產品批次穩定性；