[發明專利]磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310024707.1
• 申請日: 2013-01-23
• 公開（公告）號: CN103094565A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 邱業君;耿艷輝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 胡吉科;孫偉

技術領域

本發明涉及動力電池技術領域，尤其涉及一種磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、循環性能好、自放電小、無記憶效應等諸多優點，是新一代綠色高能電池。目前，鋰離子電池已廣泛應用于筆記本電腦、多種便攜式電動工具、武器等領域，在電動摩托車、電動汽車中也顯示出十分誘人的應用前景。

正極材料是鋰離子電池的重要部分，常用的鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰（LiCoO₂）、鎳酸鋰（LiNiO₂）、磷酸鐵鋰（LiFePO₄）、錳酸鋰LiMn₂O_4?等，其中LiFePO₄因其成本低、環境友好、不吸潮、安全性能高、比容量較高（理論容量~170mAh/g）、在3.4V?左右有平穩的放電電壓平臺、熱穩定性和循環性能優異等優點，被認為是最具前途的正極材料之一。合成LiFePO₄的常用方法有高溫固相法、溶膠-凝膠法和水熱法等。這幾種方法雖各有優點，但也存在一些明顯的缺陷。如，高溫固相法合成LiFePO₄顆粒的粒徑較大，充放電性能不太理想；溶膠-凝膠法的工藝相對復雜，生產成本較高；水熱法雖可控制粒徑，但工業生產的難度較大。另一方面，LiFePO₄材料本身也存在一些明顯缺陷，如LiFePO₄的電導率很低、Li?離子在LiFePO₄中擴散困難等，這些缺陷也阻礙了LiFePO₄材料的應用。

因此，十分有必要開發新的LiFePO₄復合材料及其制備技術來提高LiFePO₄的綜合性能，促進其大規模工業化應用。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，發明人預料不到地發現，通過鋰源、磷源、鐵源、聚合物與溶劑的協同作用，得到的靜電紡絲溶液具有十分優異的均一性、穩定性和良好的可紡性，進而通過本發明提供的靜電紡絲技術和熱處理工藝，得到磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維。本發明提供的磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維具有良好的纖維形貌和導電性能，應用于鋰離子電池正極材料的放電容量值高。

一個方面，本發明提供一種磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維，包括如下質量百分含量的組分：50~99%的磷酸鐵鋰、0.5~30%磷化鐵和1~20%碳，所述磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維的平均直徑在50~500nm之間，該纖維中存在磷化鐵的球狀顆粒。磷化鐵的球狀顆粒平均直徑在50-2000nm之間，本發明所述的平均直徑是指制得的磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維直徑的總體平均值，測量的是纖維中非突起的位置。磷酸鐵鋰是活性物質，而磷化鐵和碳是導電成分，此外碳還起粘接材料的作用，使整個材料成纖維狀，且具有一定的可彎折性能。

采用上述技術方案，本發明提供的磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維具有良好的纖維形貌和導電性能，應用于鋰離子電池正極材料的放電容量值高。

另一方面，本發明還提供磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維的制備方法，包括如下步驟：

A）??配制靜電紡絲溶液：將鋰源、鐵源、磷源、聚合物、碳源、添加劑溶于溶劑中，攪勻，得到靜電紡絲溶液；所述鋰源、鐵源和磷源的摩爾比為0.6~1.6：0.6~1.6：1.0，磷源的質量/體積濃度為0.1~30%，聚合物的質量/體積濃度為0.2~40%，碳源的質量/體積濃度為0~5%，添加劑的質量/體積濃度為0~10%，所述添加劑選自蔗糖、檸檬酸、葡萄糖、氯化銨和尿素中的一種或多種，所述溶劑選自水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和四氫呋喃中的一種或多種；質量/體積濃度（w/v）指：1毫升溶劑中含有溶質的質量百分數；

B）?靜電紡絲：一定的紡絲條件下，將所述靜電紡絲溶液紡成纖維前驅體；所述紡絲條件為電壓3~60kV，溫度10~90℃，收集裝置距離噴絲裝置的距離為3~50cm；

C）?熱處理：將所述纖維前驅體在氮氣、氬氣、氫/氮混合氣或氫/氬混和氣氣氛中，加熱至400~500°C煅燒，然后升溫至600~900°C并保溫，降溫后，得到磷酸鐵鋰/磷化鐵/碳復合納米纖維。