[發明專利]一種磷酸鋰鐵基復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202210759694.1
• 申請日: 2022-06-29
• 公開（公告）號: CN115020671B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 萬寧;楊紅新;劉靜;田林
• 申請（專利權）人: 蜂巢能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 閆聰彥

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種磷酸鋰鐵基復合材料及其制備方法與應用。本發明的復合材料為氮化鎵包覆的磷酸鐵鋰納米片層結構，該結構與顆粒狀結構相比大大縮短了鋰離子擴散路徑，且氮化鎵具有高載流子遷移速率、良好的熱穩定性和化學穩定性等優勢，可以大大提高磷酸鐵鋰的電導率，同時也起到了很好地隔離磷酸鐵鋰和電解液的效果，有利于磷酸鐵鋰保持其結構穩定性，使得將該復合材料具有超高的倍率性能及超高倍率下的循環穩定性，可用作鋰離子電池正極材料。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種磷酸鋰鐵基復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

清潔高效的能量存儲與轉化技術是現代社會發展的基石，二次電池作為能量轉換效率最高的儲能體系之一，受到了越來越多的關注。在眾多的二次電池體系中，鋰離子電池因具有高能量密度、低自放電率、寬使用溫度、長循環壽命、環境友好、無記憶效應等優勢而成為二次電池中的佼佼者。鋰離子電池的關鍵成分之一便是正極材料，目前已經商業化的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰材料等，其中，鈷酸鋰因鈷元素的稀缺而導致價格較高，另外其安全性能也較差，錳酸鋰材料的循環性能相對較差，三元材料的穩定性保持上相對不完善，而磷酸鐵鋰材料具有較為平穩的充放電平臺，且成本低廉，環境友好，成為當前研究的熱點。

但磷酸鐵鋰正極材料也有其自身的缺陷，如離子擴散速率慢，電子導電率低等，從而導致其倍率放電能力差，功率密度小。針對這兩方面的問題，常用的改進方法是對正極材料表面進行包覆改性，常見的包覆材料是導電碳材料，以期能夠改善磷酸鐵鋰的導電性，并能阻止磷酸鐵鋰晶粒的長大，利于納米尺寸粉體的制備，從而實現鋰離子電池的高倍率。但事實證明無論采用哪種包覆方式，都會對磷酸鐵鋰的電化學性能產生不利影響。因此，如何有效提升磷酸鐵鋰正極材料的離子擴散速率和電子導電率，從而提高其倍率性能，是本領域亟待解決的一個技術難題。

發明內容

鑒于此，本發明要解決的技術問題是現有的磷酸鐵鋰正極材料因電子電導率低、鋰離子擴散速率慢而導致倍率性能不佳，進而提供一種磷酸鐵鋰基復合材料，該復合材料為氮化鎵包覆的磷酸鐵鋰納米片層結構，納米片層結構降低了鋰離子的擴散阻力，氮化鎵包覆提高了材料整體的導電性和結構穩定性，使得將該復合材料具有超高的倍率性能及超高倍率下的循環穩定性，可用作鋰電池正極材料。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一方面，本發明提供了一種磷酸鐵鋰基復合材料，包括內核以及包覆所述內核的包覆層，所述內核為具有納米片層結構的磷酸鐵鋰，所述包覆層的材料為氮化鎵。

可選地，所述具有納米片層結構的磷酸鐵鋰的平面尺寸為100～2500nm²。

可選地，在所述磷酸鐵鋰基復合材料中，鎵元素與鐵元素的摩爾比為0.05～0.2：1。

另一方面，本發明還提供了一種磷酸鐵鋰基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

將磷源、鐵源、鋰源、表面活性劑與水混合均勻，調節pH值為5～6，在水熱條件下發生反應，待反應結束后，收集固相，干燥，即得具有納米片層結構的磷酸鐵鋰；

采用化學氣相沉積方法在所述具有納米片層結構的磷酸鐵鋰表面沉積氮化鎵包覆層。

可選地，所述表面活性劑為十八烷基三甲基溴化銨、十八烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一種或多種。

可選地，所述表面活性劑中的氮元素與所述鐵源中的鐵元素的摩爾比為0.06～0.12：1。

可選地，所述水熱條件包括，溫度為150～170℃，反應時間為8～10h。

可選地，所述鐵源中的鐵元素與所述磷源中的磷元素、所述鋰源中的鋰元素的摩爾比為1：1：1.05～1.2。