[发明专利]三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极、其制备方法及以其为正极极片的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极、其制备方法及以其为正极极片的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池目前是驱动电动车和混合动力车的最理想电源体系，其中，磷酸铁锂具有价格低廉，热稳定性好，循环性能好，环境友好等优点，一直是动力电池最理想的正极材料。然而目前的二维磷酸铁锂电极仍存在大倍率充放电性能较差的问题，还难与满足纯电动车和插电式混合电动车对电池快速充放电的要求，制约了其在能源输出和电动汽车产业方面的发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有二维磷酸铁锂电极仍存在大倍率充放电性能较差的问题，本发明提供了一种三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极、其制备方法及以其为正极极片的锂离子电池。

本发明的三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极是以泡沫金属为支撑体和集流体，纳米磷酸铁锂颗粒在泡沫金属表面原位生成并固定于泡沫金属的骨架表面得到的；其中，泡沫金属是经滚压处理后的厚度为300μm～1000μm的三维泡沫金属；所述的纳米磷酸铁锂颗粒在泡沫金属表面原位生成并固定于泡沫金属的骨架表面是通过以下操作实现的：通过将三价铁盐、磷源化合物、锂源化合物、有机小分子碳源和去离子水利用流变相法得到的流变体渗入至泡沫金属的空隙中得到三维前躯体，再将三维前躯体烧结，实现纳米磷酸铁锂颗粒在泡沫金属表面原位生成并固定于泡沫金属的骨架表面，其中，三价铁盐中的Fe与磷源化合物中的P的摩尔比为1∶1，锂源化合物中的Li与磷源化合物中的P的摩尔比为1～1.1∶1，有机小分子碳源与磷酸铁锂理论产量的质量比为0.4～0.8∶1。

本发明的三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极的制备方法是通过以下步骤实现的：一、将泡沫金属进行滚压处理至厚度为300μm～1000μm，然后在酒精中超声清洗，再干燥；二、按三价铁盐中的Fe与磷源化合物中的P的摩尔比为1∶1，锂源化合物中的Li与磷源化合物中的P的摩尔比为1～1.1∶1，有机小分子碳源与磷酸铁锂理论产量的质量比为0.4～0.8∶1的比例称取三价铁盐、锂源化合物、磷源化合物和有机小分子碳源，然后将称取的三价铁盐、锂源化合物、磷源化合物和有机小分子碳源混合得混合物，再向混合物中加入去离子水，超声波搅拌2～4小时得到真溶液，然后将真溶液置于置于50～100℃的温度下搅拌形成流变体，其中，去离子水质量是混合物质量的5～10倍；三、将步骤一处理后的泡沫金属浸入到步骤二得到的流变体中，然后干燥至恒重后将泡沫金属取出，得三维前躯体；四、将步骤三得到的三维前躯体置于惰性气体或者还原性气体保护气氛炉中，在200℃～300℃的温度下预分解2～4小时，然后升温至550℃～650℃，保温煅烧5～12小时，再冷却至室温，得三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极。

以本发明的三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极为正极极片的锂离子电池，包括正极片、负极片、隔离膜和铝塑复合膜，所述隔离膜位于正极片和负极片之间，铝塑复合膜包裹在正极片、负极片和隔离膜的外周，其中，正极片为本发明的三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极。

本发明中所述的泡沫金属为泡沫镍或泡沫铝，比表面积高，采用市售产品即可。

本发明中所述的三价铁盐为硝酸铁和/或氯化铁，所述磷源化合物为磷酸二氢铵和/或磷酸氢二铵，所述锂源化合物为硝酸锂、碳酸锂和氢氧化锂中的一种或其中几种混合物，所述有机小分子碳源为蔗糖和/或葡萄糖。

本发明的三维结构泡沫金属/磷酸铁锂一体电极的制备方法的步骤二中采用流变相法制备得流变体，流变相法是合成无机非金属材料的一种新兴的现有方法，该方法是将固体反应物按一定的比例混合后，溶于适量的水或其他溶剂中形成真溶液，然后通过加热或搅拌的方式使得液体粘稠度增加，形成固体粒子和液体物质分布均匀的流变体。在流变体中，固体微粒的表面能得到有效利用，固体粒子和液体物质接触紧密、均匀，热交换良好，不容易出现局部过热现象。与常用的高温固相合成方法相比，该方法具有合成温度低，焙烧时间短，所得材料颗粒小且分布均匀等优点。其中，所述流变体是指在应力的作用下，产生流动与变形的物体。

泡沫金属具有导电性好，比表面积大，制备工艺成熟等优点，在此被选作制备三维电极材料的支撑体和集流体。三维结构的电极极片在三维空间提供大的反应界面，从而减小界面反应的极化现象，进而提高电极的性能，相对于二维的平面电极，三维电极能够更充分发挥电极材料的性能。利用三维结构降低磷酸铁锂在充放电过程中的界面极化，可以有效地提高其大倍率充放电性能，满足纯电动车和插电式混合电动车对电池快速充放电的要求。