[發明專利]一種高比容量的磷酸鐵鋰電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110477633.1
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113213448B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 劉治明;李海昌;宋文明;何燕;李勱;王曉君;魏晴;孫洪冉;徐常蒙
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: C01B25/45
• 分類號: C01B25/45;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 北京開陽星知識產權代理有限公司 11710
• 代理人: 姚金金

本發明屬于電極材料制備技術領域，具體涉及一種高比容量的磷酸鐵鋰電極材料及其制備方法。包括以下步驟：氧化鐵粉末作為鐵源，鹽酸多巴胺(PDA)作為碳源，二者在Tris懸浮液下經超聲、攪拌形成聚多巴胺包覆的Fe₂O₃，即Fe₂O₃@PDA，然后再與鋰鹽和磷酸鹽前驅體通過高溫固相反應得到高比容量的磷酸鐵鋰電極材料。利用本發明方法合成的磷酸鐵鋰首圈庫倫效率高達到90.42％，循環中質量比容量保持在150mAh/g左右，容量高、精度高、顆粒大小均勻可控，具有良好的電化學性能，是理想的綠色正極材料。

技術領域：

本發明屬于電極材料制備技術領域，具體涉及一種高比容量的磷酸鐵鋰電極材料及其制備方法。

背景技術：

1997年Goodenough課題組報道了具有橄欖石結構的磷酸鐵鋰正極材料，此后磷酸鐵鋰電池成為研究熱門，在眾多科研人員的共同努力下，磷酸鐵鋰實現商業化。磷酸鐵鋰作為綠色電池材料本身無任何重金屬，并且成本低、比容量高、循環性能好、壽命長以及電化學性能穩定，是理想的綠色正極材料。但是大量研究表明，磷酸鐵鋰電子電導率和鋰離子擴散率較低，造成在大電流放電時容量不能充分發揮以及倍率性能差的問題，嚴重阻礙著磷酸鐵鋰電化學性能進一步的提升。為了進一步提高磷酸鐵鋰的比容量以及倍率性能，通常對其進行改性(比如碳摻雜、離子摻雜和顆粒納米化等)。傳統的碳摻雜是直接加入一定量的碳源，如：乙炔黑、葡萄糖、蔗糖等。但直接加入碳源會導致磷酸鐵鋰與碳源之間很難混合均勻，這將導致在反應過程中，出現反應不充分的現象，使得磷酸鐵鋰的合成精度降低。而且，其制備方式也有很多局限性，如水熱法：合成磷酸鐵鋰制備后的溶液為非中性溶液，還要兼顧洗滌過程，并且酸堿性對磷酸鐵鋰的性能有很大的影響，此外，水熱法高溫高壓設備造價高，工藝復雜，該方法不適合商業化；共沉淀法：合成磷酸鐵鋰首次放電容量較低，局限性比較高，性能不佳；固相合成法：雖然固相燒結法采用的也是高溫煅燒，但是該方法采用的鐵源不如Fe₂O₃的產量大、成本低，這無疑增加了磷酸鐵鋰的合成成本，此外，傳統的固相燒結過程中還容易造成顆粒二次結晶聚集成大顆粒。所以，急需研究一種新的改性方法，來克服上述方法中的不足。

發明內容：

本發明要解決的技術問題是為了進一步提高磷酸鐵鋰的比容量以及倍率性能，通常對其進行改性，傳統的方式是直接加入一定量的碳源，但直接加入碳源會導致磷酸鐵鋰與碳源之間很難混合均勻，這將導致在反應過程中，出現反應不充分的現象，使得磷酸鐵鋰的合成精度降低；而且，其制備方式也有很多局限性。

為解決上述問題，本發明提供了一種高比容量的磷酸鐵鋰電極材料及其制備方法，采用聚多巴胺包覆的方式對磷酸鐵鋰進行改性。利用低成本、環境友好的氧化鐵(Fe₂O₃)粉末作為鐵源(Fe₂O₃顆粒尺寸在微納級別均可)，鹽酸多巴胺作為碳源，首先形成聚多巴胺(PDA)包覆的Fe₂O₃(Fe₂O₃@PDA)，然后再通過高溫固相反應得到高比容量的磷酸鐵鋰。

為達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現，一種高比容量的磷酸鐵鋰電極材料的制備方法，包括以下步驟：氧化鐵粉末作為鐵源，鹽酸多巴胺作為碳源，氧化鐵的tris懸浮液加入鹽酸多巴胺后常溫下經超聲、攪拌形成聚多巴胺包覆的Fe₂O₃，即Fe₂O₃@PDA，該聚合包覆過程在常溫下即可進行，該方式簡易、安全、高效，然后再與鋰鹽和磷酸鹽前驅體通過高溫固相反應得到高比容量的磷酸鐵鋰電極材料。

進一步的，所述鋰鹽和磷酸鹽前驅體為LiH₂PO₄或鋰鹽為Li₂CO₃，磷酸鹽為NH₄H₂PO₄。