[發(fā)明專利]一種磷酸鐵錳鋰/碳納米管復(fù)合正極材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010625882.6
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111740104B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 顏果春;王接喜;李新海;席昭;王志興;郭華軍;胡啟陽;彭文杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 李喆

本發(fā)明提供了一種磷酸鐵錳鋰/碳納米管復(fù)合正極材料的制備方法，相對于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明利用鐵基催化劑誘導(dǎo)原位生長分散性良好的碳納米管，以此為原料制備磷酸鐵鋰/碳納米管復(fù)合正極材料，并加入高錳酸鉀加速鐵的氧化；該材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，電導(dǎo)率高，粒徑較小，分布均勻，有效改善了磷酸鐵錳鋰材料的循環(huán)性能和倍率性能，有助于進(jìn)一步推動磷酸鐵錳鋰材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及儲能器件領(lǐng)域，特別涉及一種磷酸鐵錳鋰/碳納米管復(fù)合正極材料的制備方法。

背景技術(shù)

1991年，索尼公司推出了第一個商用鋰離子電池，它以鈷酸鋰為正極材料，碳為負(fù)極材料，有效解決了鋰枝晶的問題，并從此拉開了鋰離子電池大規(guī)模使用的序幕。與其它傳統(tǒng)的二次電源相比，鋰離子電池具有能量密度高、功率密度高、工作電壓高、循環(huán)壽命長以及對環(huán)境友好等特點(diǎn)，是一種比較理想也是目前應(yīng)用最廣泛的儲能裝置之一，特別是近年來，隨著電動汽車及大規(guī)模儲能領(lǐng)域的快速發(fā)展，鋰離子電池的應(yīng)用前景越來越廣闊。但是，鋰離子電池的成本和安全問題，仍困擾著學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界，并很大程度上限制了鋰離子電池增長的速度。

正極材料作為鋰離子電池的重要組成部分，對鋰離子電池的各項指標(biāo)有決定性作用，尋求性能優(yōu)異的正極材料是進(jìn)一步提升鋰離子電池綜合競爭力的關(guān)鍵。商業(yè)化鋰離子電池正極材料包括鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰和磷酸鐵鋰，鈷酸鋰和三元材料均具有層狀結(jié)構(gòu)，其比容量和工作電壓比較高，但是存在制備成本高、安全穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)；錳酸鋰具有尖晶石結(jié)構(gòu)，制備的成本比較低，但是存在循環(huán)性能和高溫性能較差的缺點(diǎn)；磷酸鐵鋰材料具有橄欖石結(jié)構(gòu)，原料資源豐富，比容量相對較高，循環(huán)壽命長，安全性能好，是電動汽車和大規(guī)模儲能用鋰離子電池的理想材料。但是，該材料存在鋰離子擴(kuò)散速度慢，電子電導(dǎo)率低的缺點(diǎn)，在充放電過程中電化學(xué)極化現(xiàn)象較強(qiáng)，在大倍率放放電條件下性能較差。同時，磷酸鐵鋰本身放電平臺低，導(dǎo)致其能量密度低。因此，在實際的使用過程中，需要對磷酸鐵鋰材料進(jìn)行改性。通過摻雜錳元素，提升磷酸鐵鋰的部分充放電電壓（磷酸錳鋰電壓達(dá)4.8V），可顯著提升材料的能量密度。另外，通過控制磷酸鐵鋰材料的粒徑，可以縮短鋰離子在材料晶格中的擴(kuò)散距離；通過有益金屬元素?fù)诫s，可以使磷酸鐵鋰材料產(chǎn)生晶格缺陷，進(jìn)而提升材料的本征電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)；通過將磷酸鐵鋰材料與導(dǎo)電性較好的材料復(fù)合，可以提升材料顆粒之間的導(dǎo)電性，從而達(dá)到改善材料電化學(xué)性能的目的。在導(dǎo)電性較好的復(fù)合材料中，碳材料是研究的重點(diǎn)，這是因為碳材料有良好的導(dǎo)電性，同時也可以在一定程度上抑制材料粒徑的長大。碳納米管是一種由石墨卷成的碳材料，具有一維空心管結(jié)構(gòu)，碳原子間的外層電子會形成sp2雜化，剩余的電子形成離域大π鍵，導(dǎo)致碳納米管中存在可以自由移動的電子，因此碳納米管的導(dǎo)電性能十分優(yōu)異。但是，碳納米管材料由于具有較大的長徑比，且比表面積較大，導(dǎo)致材料的團(tuán)聚十分嚴(yán)重，采用常規(guī)的方式和磷酸鐵鋰材料復(fù)合時，難以得到分散均勻的材料。有研究人員提出利用氣相沉積法在磷酸鐵鋰材料中原位生長碳納米管（CN102427130A，CN101533904A），以此來提升復(fù)合材料的均勻性，但是，沉積過程中用到的催化劑難以去除，影響了最終產(chǎn)品的純度。

因此，開發(fā)一種新的方法來制備電化學(xué)性能優(yōu)異、成分均勻的磷酸鐵錳鋰/碳納米管復(fù)合正極材料有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種磷酸鐵錳鋰/碳納米管復(fù)合正極材料的制備方法，其目的是為了克服采用常規(guī)的方式復(fù)合磷酸鐵鋰材料和碳納米管時，難以得到分散均勻的材料的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種磷酸鐵錳鋰/碳納米管復(fù)合正極材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、采用鐵粉做催化劑，加入氣相碳源，通過化學(xué)氣相沉積法制備鐵粉/碳納米管的復(fù)合物；

步驟二、取定量的鐵粉/碳納米管的復(fù)合物加入到一定濃度的磷酸溶液中，并同時加入定量的高錳酸鉀，攪拌反應(yīng)一段時間；

步驟三、加入堿溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)后溶液pH，生成磷酸鐵錳/碳納米管沉淀，過濾，烘干得磷酸鐵錳/碳納米管前驅(qū)體；