[发明专利]稳定性增强的石墨烯/ LiFePO4阴极

说明书

相关申请的互相参引

本PCT申请要求2010年12月28日提交的第12/980,328号美国申请的最早提交日的优先权，其全文以引用的方式纳入本文。

本发明在美国能源部授予的合约DE-AC0676RLO1830的政府资助下作出。美国政府对本发明享有一定的权利。

发明背景

对改进的蓄电装置的需求导致对作为用于锂离子电池的阴极材料的LiFePO₄的广泛研究。这些材料的低成本、低毒性和相对高的理论比容量使其受到寻求提供实用储能方案的研究人员的特别关注。然而，这些努力没有成功，因为这些材料没有示出在实际的商业应用中所需的长的寿命周期。特别地，对作为用于锂离子电池的阴极材料的LiFePO₄的研究没能制造如商业应用中所需的在大量充电/放电循环后保持高的比容量的阴极材料。

例如，在最近的一篇题为“Preparation of nano-structured LiFePO₄/graphene composites by co-precipitation method”Y.Ding,Y.Jiang,F.Xu,J.Yin,H.Ren,Q.Zhuo,Z.Long,P.Zang,Electrochemistry Communications12(2010)10-13的文章中，作者认识到具有优异的导电性和高的表面积的石墨烯（graphene）材料对于储能应用将是有利的。然后作者描述了通过共沉淀法制备LiFePO₄/石墨烯复合材料的方法。最后，作者示出该材料在商业应用中通常的充电/放电条件下的结果。不幸的是，在少达80次充电/放电循环后，作者报导该电池仅保持了其初始比容量的约97%。在需要数百次（甚至数千次）的充电/放电循环的应用中，该降低的程度是不能接受的。

近期另一篇题为“A facile method of preparing mixed conducting LiFePO₄/graphene composites for lithium-ion batteries”Li Wang,Haibo Wang,Zhihong Liu,Chen Xiao,Shanmu Dong,Pengxian Han,Zongyi Zhang,Xiaoying Zhang,Caifeng Bi,Guanglei Cui,Solid State Ionics181(2010)1685-1689的文章记载了通过在水热法后进行热处理而制备LiFePO₄/石墨烯混合导电网络结构。该复合材料示出在少于60次充电/放电循环后比容量降低5%。

因此，本领域普通技术人员意识到需要在大量充电/放电循环后保持其比容量的LiFePO₄/石墨烯复合材料，特别是当用于锂离子电池时。本发明满足该需求。

发明概述

因此本发明为一种阴极，其包括与LiMPO₄电连接的纳米结构的碳，其中M为过渡金属离子。本发明的阴极具有足够的结构稳定性，从而在500次充电/放电循环后保持至少90%的阴极比容量。更优选地，本发明的阴极具有足够的结构稳定性，从而在500次充电/放电循环后保持至少95%的阴极比容量。甚至更优选地，本发明的阴极具有足够的结构稳定性，从而在500次充电/放电循环后保持至少98%的阴极比容量。甚至更优选地，本发明的阴极具有足够的结构稳定性，从而在500次充电/放电循环后保持至少99%的阴极比容量。

LiMPO₄中元素M选自Fe、Mn、Co、Ni及其结合物。优选地（但不意欲对其进行限制），LiMPO₄中M为Fe。所述纳米结构的碳包括石墨烯、碳纳米管、及其结合物。优选地（但不意欲对其进行限制），所述纳米结构的碳包括石墨烯。