[發明專利]制備碳復合材料的方法

無效

• 申請號: 200980158378.1
• 申請日: 2009-04-01
• 公開（公告）號: CN102388489A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 山·季;西瓦庫瑪·帕蘇帕西;貝爾納德·揚·布萊德格倫;弗拉基米爾·米哈伊洛維奇·林科夫
• 申請（專利權）人: 西開普大學
• 主分類號: H01M4/525
• 分類號: H01M4/525;H01M4/52
• 代理公司: 北京邦信陽專利商標代理有限公司 11012
• 代理人: 王昭林;尹吉偉

技術領域

本發明涉及一種制備碳復合材料的方法。

更具體而言，本發明涉及一種制備碳復合材料，即例如用于大規模Li離子電池的陰極電極活性材料的高容量LiFePO₄/納米結構碳復合物的方法。

背景技術

由于環境保護運動越來越突出，以及快速增長的石油價格成為不可否認的事實，因此汽車行業一直在尋求引入電動汽車(EV)、混合動力電動汽車(HEV)和燃料電池汽車(FCV)，以盡可能早地代替常規的內燃機汽車。在此方面，由于電池作為EV、HEV和FCV實際使用的關鍵技術的作用，因此開發先進電池應用于運輸系統已經成為首要任務之一。經過政府計劃以及大企業，美國、日本、歐盟、俄羅斯、印度、中國、巴西、挪威、冰島以及世界上的一些其它國家已經在電池動力電動車和混合動力電動車方面取得重大進展。所有這些全球性的努力都著眼于改善能源安全和減少環境失衡以及改善它們的能源安全。Li離子二次電池在電池技術的最前沿。因此，鋰離子電池在運輸系統的廣泛使用將緩解對于石油的依賴。

LiCoO₂是常規的鋰離子充電電池的陰極材料，其已被廣泛用作移動電源，例如移動電話、攝像機、數據相機、筆記本電腦、媒體播放器和其他便攜式數據電子設備。近來，發現LiCoO₂不適合用作大尺寸鋰離子充電電池中的陰極材料，例如電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)。在所述大尺寸鋰離子電池中，當操作溫度超過50℃時氧氣將會從LiCoO₂晶體中釋放并構成安全問題。鋰離子充電電池的廣泛應用受到LiCoO₂高成本的限制。雖然高功率或大容量的鋰離子充電電池有符合標準的合適性能，但是鉛酸電池仍然作為移動電源提供給電動自行車。因此，有必要找到一種合適的具有更低價格和更高性能的陰極材料，它是鋰離子充電電池更廣泛地應用于EV和HEV的關鍵因素。LiFePO₄是理想的陰極材料候選物之一，因為它價格低、比能密度高，并且安全性出色，特別是相當高溫度下的熱穩定性，這給高功率或大容量電池提供了安全性。然而，因為它的電導率非常差，容量迅速下降，因此在充放電過程中很容易觀察到極化。

有兩種改善它的電導率的方法。一種方法是將合適的元素引入到晶格中，通過改變能隙，改變所述導體和價帶之間的空隙。另一種方法是將導電材料引入到LiFePO₄中改善它的電導率。已經取得一些進步，但是因為容量下降迅速仍存在一些需要改進的步驟。

為了改善LiFePO₄的電導率，全世界的許多研究小組已經付出了很多努力。

涂覆有碳的LiFePO₄通常經過固態反應制備，這需要在500～850℃長燒結時間。所述碳源可以是糖碳凝膠、炭黑和水明膠、淀粉。很明顯，這些碳源不與其它前體反應，在燒結過程中，其僅分解并在LiFePO₄顆粒表面上形成碳。LiFePO₄/C復合電極通過碳粉存在下的LiH₂PO₄和FeC₂O₄的固態反應合成。所述制備在N₂氛圍下經過兩個加熱步驟完成。首先，將所述前體以化學計量比混合并在350-380℃下燒結使分解。其次，將得到的混合物在高溫下加熱形成晶狀LiFePO₄。得到的復合陰極的容量隨著碳粉的比表面積而增加。在室溫及低電流速率下，所述LiFePO₄/C復合電極顯示非常高的容量-159mAh/g。遺憾的是，形成在LiFePO₄顆粒表面上的碳是不均勻的，這對高速率下這種復合陰極的電化學性能有負面的影響。

美國專利申請20020192197A1披露了通過激光熱解方法制備LiFePO₄的納米尺寸和亞微米顆粒。所述合成的LiFePO₄顯示出非常良好的電化學性能，然而，這種方法是一種比較昂貴的方法，并且通過這種方法制備的陰極材料不適合成本意識應用，例如EV和HEV，其中需要大量的陰極材料。