[发明专利]磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及动力电池技术领域，尤其涉及一种磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、循环性能好、自放电小、无记忆效应等诸多优点，是新一代绿色高能电池。目前，锂离子电池已广泛应用于笔记本电脑、多种便携式电动工具、武器等领域，在电动摩托车、电动汽车中也显示出十分诱人的应用前景。

正极材料是锂离子电池的重要部分，常用的锂离子电池正极材料有钴酸锂（LiCoO₂）、镍酸锂（LiNiO₂）、磷酸铁锂（LiFePO₄）、锰酸锂LiMn₂O₄ 等，其中LiFePO₄因其成本低、环境友好、不吸潮、安全性能高、比容量较高（理论容量~170mAh/g）、在3.4V 左右有平稳的放电电压平台、热稳定性和循环性能优异等优点，被认为是最具前途的正极材料之一。合成LiFePO₄的常用方法有高温固相法、溶胶-凝胶法和水热法等。这几种方法虽各有优点，但也存在一些明显的缺陷。如，高温固相法合成LiFePO₄颗粒的粒径较大，充放电性能不太理想；溶胶-凝胶法的工艺相对复杂，生产成本较高；水热法虽可控制粒径，但工业生产的难度较大。另一方面，LiFePO₄材料本身也存在一些明显缺陷，如LiFePO₄的电导率很低、Li 离子在LiFePO₄中扩散困难等，这些缺陷也阻碍了LiFePO₄材料的应用。

因此，十分有必要开发新的LiFePO₄复合材料及其制备技术来提高LiFePO₄的综合性能，促进其大规模工业化应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，发明人预料不到地发现，通过锂源、磷源、铁源、聚合物与溶剂的协同作用，得到的静电纺丝溶液具有十分优异的均一性、稳定性和良好的可纺性，进而通过本发明提供的静电纺丝技术和热处理工艺，得到磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维。本发明提供的磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维具有良好的纤维形貌和导电性能，应用于锂离子电池正极材料的放电容量值高。

一个方面，本发明提供一种磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维，包括如下质量百分含量的组分：50~99%的磷酸铁锂、0.5~30%磷化铁和1~20%碳，所述磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维的平均直径在50~500nm之间，该纤维中存在磷化铁的球状颗粒。磷化铁的球状颗粒平均直径在50-2000nm之间，本发明所述的平均直径是指制得的磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维直径的总体平均值，测量的是纤维中非突起的位置。磷酸铁锂是活性物质，而磷化铁和碳是导电成分，此外碳还起粘接材料的作用，使整个材料成纤维状，且具有一定的可弯折性能。

采用上述技术方案，本发明提供的磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维具有良好的纤维形貌和导电性能，应用于锂离子电池正极材料的放电容量值高。

另一方面，本发明还提供磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

A）  配制静电纺丝溶液：将锂源、铁源、磷源、聚合物、碳源、添加剂溶于溶剂中，搅匀，得到静电纺丝溶液；所述锂源、铁源和磷源的摩尔比为0.6~1.6：0.6~1.6：1.0，磷源的质量/体积浓度为0.1~30%，聚合物的质量/体积浓度为0.2~40%，碳源的质量/体积浓度为0~5%，添加剂的质量/体积浓度为0~10%，所述添加剂选自蔗糖、柠檬酸、葡萄糖、氯化铵和尿素中的一种或多种，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的一种或多种；质量/体积浓度（w/v）指：1毫升溶剂中含有溶质的质量百分数；

B） 静电纺丝：一定的纺丝条件下，将所述静电纺丝溶液纺成纤维前驱体；所述纺丝条件为电压3~60kV，温度10~90℃，收集装置距离喷丝装置的距离为3~50cm；

C） 热处理：将所述纤维前驱体在氮气、氩气、氢/氮混合气或氢/氩混和气气氛中，加热至400~500°C煅烧，然后升温至600~900°C并保温，降温后，得到磷酸铁锂/磷化铁/碳复合纳米纤维。