[發明專利]復合納米結構碳層包覆磷酸鐵鋰電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210041901.6
• 申請日: 2012-02-23
• 公開（公告）號: CN102610814A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 秦東;梁明華;黃國林;王建琴
• 申請（專利權）人: 江蘇元景鋰粉工業有限公司
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;B82Y30/00
• 代理公司: 鎮江京科專利商標代理有限公司 32107
• 代理人: 夏哲華

技術領域

本發明涉及一種二次鋰離子電池的正極材料，具體地說是涉及一種用于二次鋰離子電池中的一種復合納米結構碳層包覆磷酸鐵鋰電極材料及其制備方法。?

背景技術

LiFePO4具有成本低、資源豐富以及結構穩定性和熱穩定性高等優點，但常溫下LiFePO4的動力學特性不好，倍率性能極差，極大地限制了該材料在實際中的應用?。為了提高電導率和縮短離子、電子的傳輸路徑，改善倍率性能，人們采用了諸如包覆、摻雜、納米化等方法對其進行了改性。Armand提出在材料表面包覆一層導電層來提高電子導電率，在聚合物電池中80℃和1C倍率下可逆容量達到160?mAh/g。Chiang?Yet-Ming研究小組通過異價元素(Mg,?Al,?Zr,?Ti,?Nb,?W)對LiFePO4中的Li進行替代來提高材料的電子電導率。結果表明摻雜后的材料電導率可以提高8個數量級，充放電倍率為C/10時，容量可以達到150mAh/g，當倍率為40C時依然保持60?mAh/g的容量，并且經過60周循環容量幾乎沒有衰減，表現出優良的電化學性能。1997年，M.Armand等在美國專利USA6，514，640中公開了將LiFePO₄進行鐵位摻雜和磷位替代的材料。然而通過納米化減小磷酸鹽材料的粒度以及在其表面包覆碳改善顆粒之間的電接觸性能，卻大幅度增加了材料的比表面積，導致材料涂布極片時需要加入更多的粘結劑，影響極片的導電性，也使得極片的密度和單位體積的活性物質含量大幅度降低。這樣就不利于制造出高能量密度的電池。因此如何在數百納米粒徑的LiFePO₄顆粒表面均勻的包覆致密的薄碳層以及通過碳鏈形成導電網絡，是實現高功率LiFePO₄電極制造的關鍵技術。?

發明內容

????本發明的目的是為了克服現有磷酸鐵鋰材料作為二次鋰電池的正極材料時倍率特性差，且制成極片密度低的缺點，從而提供一種復合納米結構碳層包覆磷酸鐵鋰電極材料，是由全覆蓋碳層的納米LiFePO₄層和在此碳層之上再形成一個部分覆蓋的網絡碳層結構，以提高磷酸鹽材料電池的倍率性能和能量密度。?

本發明的目的是通過以下的技術方案實現的：一種復合納米結構碳層包覆磷酸鐵鋰電極材料，包括全覆蓋碳層的納米LiFePO₄和網絡碳層，其特征在于：所述的該材料為由一次顆粒表面形成1-10納米LiFePO₄的全覆蓋碳層，在此碳層之上再形成一個10-100nm厚的部分覆蓋的網絡碳層結構。?

本發明的制備方法是通過以下步驟實現的：1）制備納米純相LiFePO₄?；2）制備全覆蓋碳層的納米LiFePO₄；3）制備復合納米結構碳層包覆磷酸鐵鋰；其特征在于：1）、制備納米純相LiFePO₄?：?

（1）、超細研磨：按照摩爾比0.5：0.5：1：0.3稱取Li₂CO₃、Fe₂O₃F、NH₄H₂PO₄P和C₆H₈O₇放入到去離子水溶劑中，采用超細研磨機納米化處理，烘干并手工研磨粉碎為混合物；

（2）、低溫預燒：將混合物在高純5%的還原氣氛保護下進行低溫預燒，用1小時從室溫升溫至350℃，在350℃恒溫4小時后，用十小時降到室溫，手工研磨粉碎后；

（3）、高溫燒結：混合物在高純5%的Ar+H₂還原氣氛保護下高溫燒結：用4小時從室溫升溫至650℃，在650℃恒溫10小時后，用18小時降到室溫，再將固體手工研磨粉碎后得到顆粒平均粒徑為100-2000nm的納米純相LiFePO₄；

2）、制備全覆蓋碳層的納米LiFePO₄：稱取0.1g的有機聚合物和1.0g納米純相LiFePO₄分別放于氧化鋁磁舟A和B中，將B磁舟和A磁舟按通氣氣流順序依次放到的管式爐的爐管中，開始通入惰性保護氣體Ar，調節Ar氣流量為80sccm，使用程序升溫用1小時從室溫升溫至800℃，在800℃恒溫12小時后，用兩小時降到室溫，得到全覆蓋碳層的納米LiFePO₄；

所述的有機聚合物是PAN或PVC。