[發明專利]一種多孔碳層包覆磷酸鐵鋰材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210323912.7
• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號: CN114715870A
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 魯勁華;宮璐;鄭剛;張金華;徐丹丹;汪宇;林浩
• 申請（專利權）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: C01B25/45
• 分類號: C01B25/45;C01B32/05;H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙) 34119
• 代理人: 余婧

本發明公開了一種多孔碳層包覆磷酸鐵鋰材料的制備方法，以含離子液體的Fe?MOFs納米材料作為鐵源和碳源，將所述含離子液體的Fe?MOFs納米材料與磷源、鋰源混合均勻后，在惰性氣氛下固相燒結，得到多孔碳層包覆的磷酸鐵鋰材料。本發明制備的多孔碳層包覆磷酸鐵鋰材料可以作為鋰離子電池正極材料，其組裝的電池具有倍率性能好，循環壽命長、低溫性能好等特點。

技術領域

本發明涉及磷酸鐵鋰材料制備技術領域，尤其涉及一種多孔碳層包覆磷酸鐵鋰材料及其制備方法和應用。

背景技術

磷酸鐵鋰(LiFePO₄)作為鋰離子電極材料起源于1997年Goodenough等首次將橄欖石型的LiFePO₄引入鋰離子電池正極材料的研究中。LiFePO₄被廣泛認為是大電流鋰離子可充放電池中極具前景的材料。LiFePO₄的優勢在于理論容量為170mAh/g，充電速度快(1.5C條件下30min左右就可以充滿)，耐高溫(350～500℃)，良好的結構穩定性，原料來源廣泛，價格便宜，環境友好等。然而LiFePO₄內部鋰離子擴散速率慢(10^-14～10^-15cm²/s)、內部電化學反應速率慢，很大程度降低了其導電性，對其大規模的商業化應用也是極大的阻礙。通過碳包覆可以一定程度上改善磷酸鐵鋰材料的導電性，因此，碳包覆磷酸鐵鋰材料作為鋰離子電池正極材料已經得到了廣泛的應用。

離子液體是一種熔點低于100℃的鹽，由有機陽離子和無機或有機陰離子組成。咪唑類、吡啶類、烷基銨鹽類和烷基磷酸鹽類是最常用的離子液體。根據其理化性能的不同還可以把離子液體分為氯鋁酸類、親水性、疏水性等離子液體與固態物質相比較，離子液體流動性好；與傳統液態物質相比較，它由離子組成，具有良好的化學和電化學穩定性。因而，離子液體與其他固液材料相比，不但展現出獨特的物理化學性質，而且還具有一些特有的功能：不易揮發，熱穩定性較好，溶解能力強，電勢窗大和高離子電導率等一系列優點。離子液體可以根據需要自由組合陰陽離子作溶劑，由于電化學性能好且具有較寬的電化學窗口，還可以作為鋰電池的電解質。因此，離子液體是一類值得研究的材料。

目前，已經有研究將離子液體作為碳源制備碳包覆磷酸鐵鋰材料。例如，專利“微波裂解離子液體法制備碳包覆磷酸鐵鋰的方法”和論文《微波裂解離子液體法包覆磷酸鐵鋰碳膜工藝和機理的研究》中將離子液體作為合成碳包覆磷酸鐵鋰的碳源使用；離子液體作碳源包覆有以下特點：首先，離子液體具有一定的碳鏈結構，蒸汽壓小易包覆均勻；其次，離子液體離子電導率較好，其中咪唑類離子液體的電導率可達10^-2S/cm數量級，比純LFP高出了10個數量級；再次，離子液體中的雜原子在碳化時可對LFP形成雜原子摻雜效應，在碳包覆的同時實現摻雜改性；最后，離子液體有數萬種，可根據需要選擇組合陰陽離子，具有結構的可調性。但是，這些研究僅僅局限于將離子液體直接替代碳源使用，對磷酸鐵鋰材料的整體電化學性能提升效果有限。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種多孔碳層包覆磷酸鐵鋰材料及其制備方法和應用。

本發明提出的一種多孔碳層包覆磷酸鐵鋰材料的制備方法，以含離子液體的Fe-MOFs納米材料作為鐵源和碳源，將所述含離子液體的Fe-MOFs納米材料與磷源、鋰源混合均勻后，在惰性氣氛下固相燒結，得到多孔碳層包覆的磷酸鐵鋰材料；

所述含離子液體的Fe-MOFs納米材料是以可溶性鐵鹽、多羧酸配體和鄰菲羅啉為原料，以離子液體為模板，采用水熱反應合成得到。

優選地，所述含離子液體的Fe-MOFs納米材料的制備方法為：將可溶性鐵鹽、多羧酸配體和鄰菲羅啉溶解在去離子水中，然后加入離子液體，混合均勻后進行水熱反應，冷卻、洗滌、烘干，即得。

優選地，所述多羧酸配體、鄰菲羅啉與可溶性鐵鹽中的鐵元素的摩爾比為(1～2)：(1～2)：(5～8)。