[发明专利]石墨烯类三维网包络与金属离子掺杂协同改性磷酸亚铁锂正极活性材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，尤其是涉及一种石墨烯类三维网包络与金属离子掺杂协同改性磷酸亚铁锂正极活性材料及其制备方法。

背景技术

石油资源的减少及传统能源使用过程带来的巨大环境污染等原因，促使世界各国开始大力推广新能源汽车。目前，新能源汽车的主要发展瓶颈是安全可控的动力型电池的开发。锂离子电池具有传统的动力电池所不具备的高能量密度、重量轻、不污染环境、无记忆效应、工作性能稳定、安全可靠等特点，是新一代动力电源的发展方向。

电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。目前，广泛研究的锂离子正极材料有层状岩盐型结构的LiCoO₂，LiNiO₂；正尖晶石结构的LiMnO₄及具有橄榄石结构的新材料LiFePO₄。其中，大规模工业化应用的锂离子电池正极材料主要是LiCoO₂，但因钴贮量有限，价格昂贵，并对环境污染较大及安全性能和耐过充等问题，故寻找LiCoO₂的替代材料一直是人们的研发热点。尖晶石型LiMn₂O₄具有安全性好、易合成等优点，是目前研究较多的锂离子电池正极材料之一，但其在充放电过程中因晶格中存在John-Teller效应，易发生结构畸变，造成容量迅速衰减，特别是在较高温度下，其容量衰减更加迅速。LiFePO₄除了价格低廉、储量丰富外，和Co、Ni、Mn相比最大优点是无毒。LiFePO₄的充放电反应在“LiFePO₄和FePO₄”间进行，充电过程中的体积收缩可以弥补碳负极的膨胀，有助于提高电池的体积利用率。同时，LiFePO₄结构稳定，循环时容量衰减很小。但是LiFePO₄为绝缘体。在充放电循环时，为保持电荷平衡，电子的迁移必然伴随Li⁺的嵌入或脱出。若电子不能及时导入或导出，富集的电子将通过极化效应反过来限制Li⁺的嵌入和脱出，使得材料电化学性能恶化。

石墨烯具有二维晶格结构，平面中的碳原子以sp²杂化轨道相连组成六边形晶格结构，即碳原子通过很强的σ键与相邻的三个碳原子连接，C-C键使石墨烯具有很好的结构刚性。剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围的原子形成π键，π电子在晶格中的离域化，使石墨烯具有良好的导电，室温下平面上的电子迁移率为1.5×10⁴cm²/V·s，远远超过电子在一般导体中的传导速率。由于LiFePO₄本身是绝缘体，导电性能很差。因此，通过其它金属掺杂改善LiFePO₄颗粒本身的导电性，或者通过表面碳包覆提高颗粒间的导电性只能有限的提高LiFePO₄颗粒的导电性能。本发明的目的就是为了克服现有技术只通过掺杂或者表面包覆改性提高LiFePO₄颗粒导电性存在的缺陷而提供一种快速简便、制备成本低、可以大规模生产的由石墨烯类三维网包络与金属离子掺杂协同改性磷酸亚铁锂正极活性材料及其制备方法。

石墨烯三维网包络与金属离子协同改性磷酸锰铁锂正极活性材料不仅可以通过石墨烯缓解磷酸亚铁锂颗粒在使用过程中产生的体积效应，还可利用石墨烯的导电网络及金属离子掺杂同时提高磷酸亚铁锂颗粒间与颗粒内的导电性，从而极大地降低了电极的极化，提高电池的倍率性能，是解决锂离子电池倍率问题的关键。

发明内容

本发明的所要解决的第一技术问题是提供一种石墨烯三维网包络与金属离子掺杂协同改性磷酸亚铁锂正极活性材料。

本发明所要解决的第二技术问题是提供一种石墨烯三维网包络与金属离子掺杂协同改性磷酸亚铁锂正极活性材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

石墨烯类三维网包络与金属离子掺杂协同改性磷酸亚铁锂正极活性材料，该活性材料为氧化石墨烯或石墨烯与金属离子掺杂改性的磷酸亚铁的混合物，所述的氧化石墨烯或石墨烯与金属离子掺杂改性的磷酸亚铁的摩尔比为1∶20～1∶6，所述的金属离子掺杂改性的磷酸亚铁中的金属离子与磷酸亚铁锂中的铁采用任意摩尔比。

所述的磷酸亚铁锂通过金属离子掺杂和石墨烯或氧化石墨烯双重改性。