[发明专利]纳米磷酸铁空心球/石墨烯锂离子电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种正极材料为纳米磷酸铁空心球/石墨烯复合材料的锂离子电池及其制备方法，属于材料制备和能源电池领域。

背景技术

锂离子电池因其绿色环保的优良性质，近年来已广泛应用于便捷式电子产品和通讯工具中，在未来电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的动力装置应用领域中也具有广阔的前景，因此提高锂离子电池性能是目前研究的热点。其中，电极材料的选择是锂离子电池性能的关键决定因素。

自从Goodenough等首次报道了橄榄石结构的LiFePO₄具有可逆脱/嵌锂特性后，因其具有价格低廉、环境友好、热稳定性好、充放电循环性能稳定和理论容量较高(170 mAh·g^-1)等优点， LiFePO₄ 成为目前应用最为广泛的新一代锂离子电池正极材料之一。但由于LiFePO₄ 自身的结构特点和传统高温烧结法制备的材料颗粒尺寸偏大等原因，导致材料内部的电子传导性能差，Li⁺ 在LiFePO₄颗粒中的扩散速率很低，极大地限制了LiFePO₄ 的电化学性能。随着对电池性能要求的不断提高，尤其是动力锂离子电池对能量密度和功率密度的双重高要求，开发新型的电极材料特别是正极材料日益迫切。

目前，磷酸铁盐是一种被广泛使用的锂离子电池正极材料。最新的研究发现，磷酸铁盐作为正极材料使用时，其粒径的尺寸和形貌对电化学性能有重要影响。因此，如何合成具有特殊形态的磷酸铁盐，是电池领域值得探索的一个问题。近年来, 空心球的制备一直是材料和化学领域研究的热点之一。

粒径在纳米级乃至微米级的空心球具有特殊的空心结构，与其块体材料相比具有比表面积大、密度低、稳定性高、单分散性、表面渗透性好和吸附性高等特殊的性质。而且，形状规则的纳米级空心球能有效地缩短离子和电子在其内部的迁移距离，并使得电极材料和导电剂能够更为均匀高效的混合，从而提高材料内部的Li⁺ 及电子的扩散和传输速率，并改善充放电过程中的动力学特征。

采用合适的载体固载磷酸铁空心球，也有利于提高磷酸铁的利用率。适宜的载体应具备良好的导电性能、较大的比表面积以及优异的抗腐蚀性等特点。石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质，如具有高的热导性、卓越的导电性、超强的力学性能，同时还具有高的化学稳定性、大的比表面积和宽的电化学窗口等。另外，石墨烯的结构类似于展开的单壁碳纳米管，具有两个接触面，更有利于作为固载材料的载体。所以石墨烯电池正极材料的载体可以有效地增加材料的利用效率和导电率。

因此，利用空心球结构的纳米磷酸铁与石墨烯载体形成纳米级的磷酸铁空心球/石墨烯复合材料，基于该复合材料构造锂离子电池，能够提高锂离子电池的性能，为电动汽车提供一种放电比容量大、放电性能好、循环稳定性高的动力电源。

发明内容

本发明的目的是提供一种以纳米磷酸铁空心球/石墨烯复合材料为正极活性材料的锂离子电池及其制备方法，本发明的锂离子电池具有电池容量高、充放电循环性能好等特点。

本发明采用如下技术方案：

一种正极材料为纳米磷酸铁空心球/石墨烯复合材料的锂离子电池，包括正、负电极片、电解液和隔膜，其特征在于所述的正极电极片的正极活性材料为以石墨烯为载体、空心球状结构纳米磷酸铁生长在石墨烯上所形成的纳米磷酸铁空心球/石墨烯复合材料，所述的纳米磷酸铁空心球的粒径为50～100 nm。

所述锂离子电池的正极活性材料具有纳米磷酸铁空心球结构，具有离子和电子在其内部的迁移距离短，扩散和传输速率高的特点。基于所述纳米磷酸铁空心球/石墨烯复合材料为正极材料组装的锂离子电池具有电池容量高、充放电循环性能好等特点。

所述的纳米磷酸铁空心球/石墨烯复合材料的制备采用低温水热法合成，将含有氧化石墨烯、六水合硫酸亚铁铵（(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O）和磷酸（H₃PO₄）的混合液，其中六水合硫酸亚铁铵和磷酸的摩尔比为1:3.0~6.0，以尿素为沉淀剂，并添加表面活性剂十二烷基硫酸钠，60-120 ℃进行水热反应，将产物洗涤、真空干燥，得到纳米磷酸铁空心球/石墨烯复合材料。

所述的正极活性材料与乙炔黑、PTFE（聚四氟乙烯）和溶剂混合后，制成浆料涂布在金属箔片上，制得正极电极片。