[发明专利]液相合成-微波固相烧结法合成LiFePO4/CG复合正极材料

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池中一种LiFePO₄/CG(炭凝胶)复合正极材料及其制备方法，属于电池材料制备技术领域。

背景技术

目前，商品化锂离子电池的正极材料主要为LiCoO₂，但是Co在自然界中含量较少，价格昂贵，其未来发展受到制约。因此，寻找性能优异，价格低廉的正极材料是一项非常迫切的任务。由于LiFePO₄具有价格低廉、安全性能和热稳定性能好、无污染和质量比能量高等优点，因而成为最有潜力的锂离子正极材料之一。不过，LiFePO₄材料的缺点在于其电子导电率和离子扩散速率很低，对于受导电率和锂离子扩散速率控制的电化学过程而言，这极大地限制了LiFePO₄正极材料的电化学性能。因此研究者们通过多种方法对LiFePO₄进行改性以改善其电化学性能，其中碳包覆是一种简单有效的技术，它可以有效地提高LiFePO₄材料的电子导电性，从而提高LiFePO₄的电化学性能。可用作碳包覆的碳源种类很多，炭凝胶(包括炭气凝胶CRF、炭干凝胶CX和炭冷冻凝胶CC)是其中的一类，炭凝胶中的CRF(炭气凝胶)作为唯一具有导电性的气凝胶，具有孔隙率高、孔隙尺寸小、比表面积大、电导率高(25S·cm^-1，为普通导电碳材料的1,000～10,000倍)、孔径大小及分布可控等特点。炭凝胶的连续介孔结构使得其可以作为骨架材料应用于电极材料的制备中，有利于活性材料在骨架上的附着和成核，从而有效抑制活性材料颗粒的团聚。此外，由于炭凝胶的导电性，它们将起到微集流体的作用，从而降低电极的内阻，这一点对于提高电极和电池的充放、特别是大电流充放的性能非常有利。目前有关LiFePO₄/CG(炭凝胶)复合材料研究已有报导，而且材料的性能良好。但这些工作中普遍采用传统的烧结工艺，所需时间达到10小时以上。

传统烧结工艺耗时、耗能，且烧结过程容易使得晶粒不断长大，因此国内外的众多研究小组已经开展了微波烧结技术在LiFePO₄合成中的应用研究。目前采用微波烧结合成LiFePO₄时，往往采取外加吸波材料(活性碳等)的方法来实现。该技术往往涉及微波处理前LiFePO₄需压制成型、压制成型的LiFePO₄在吸波材料中包埋、微波处理后LiFePO₄与吸波材料的分离、以及分离后的LiFePO₄的重新粉末化等工序，因此工序较多，易导致生产成本的提高。如果采用CG作为碳源结合微波烧结合成LiFePO₄/CG复合正极材料，则可以很好地结合CG和微波烧结的优点。首先，因为CG是良好的微波吸收材料，因此可以作为微波吸收材料来实现对LiFePO₄的焙烧处理，其次，由于CG与LiFePO₄充分均匀地混合在一起，因此LiFePO₄能够得到均匀的微波场作用，这一点对于获得均匀稳定性能的材料非常关键。第三，基于反应产物中微波吸收材料炭凝胶的存在，还可以让我们采用连续型的微波烧结装置进行LiFePO₄复合材料的连续生产，因此，不但可以提高生产效率，而且可以提高产品的稳定性。

发明内容

本发明旨在提供一种工艺简单、生产过程无污染、产率高、适合工业化生产的制备高性能LiFePO₄/CG复合正极材料的方法。针对LiFePO₄本身离子扩散系数和电子电导性低的缺点，开发了一种具有高比容量、高能量密度和优良循环稳定性，能适合大电流充放电的锂离子动力电池正极材料，并为该LiFePO₄/CG复合正极材料提供了一种新型、高效、简单的合成方法。

CG是一种结构可控的多孔材料，具有比表面积大、导电性能好及温度窗口宽等特点。本发明利用CG的孔结构、成核促进作用以及导电作用，采用液相合成-微波固相烧结法制备了LiFePO₄/CG复合正极材料。其技术原理包括：

(1)在液相法合成前驱体的过程中，利用CG的促进成核作用，合成晶粒细小的前驱体；

(2)烧结时采用连续型微波烧结装置，从而可以保证产品批次稳定性；