[发明专利]一种高容量的石墨烯改性磷酸铁锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种高容量的石墨烯改性磷酸铁锂正极材料的制备方法。

背景技术

电动汽车的兴起，对动力电池的需求日益提高。高功率、高容量电池的研发成为了领域关注的重点。目前动力电池的安全性能、能量密度、倍率性能是限制其进一步发展的瓶颈。

现有文献报道来看，研究人员普遍通过金属参杂以及粒子碳包覆等方法来提高磷酸铁锂材料的电性能。虽然文献报道的碳包覆磷酸铁锂材料比较好的解决了高倍率放电问题，但由于碳元素的加入，材料的加工性能和克容量都会降低，目前的文献报道中未见使用碳包覆和掺杂等方法制备的磷酸铁锂正极材料的克容量能够超过理论克容量的报道。随着大功率电动汽车和混合动力汽车的日益发展，电池在功率和容量等方面的参数越来越被重视，目前报道的磷酸铁锂正极材料其性能还无法满足这个要求。如何在保障安全性能和加工性能的前提下，提高电池的倍率性能和体积能量密度，是研究者们广泛关注的一个课题。

发明内容

本发明是提供一种高容量的石墨烯改性磷酸铁锂正极材料的制备方法，其主要是解决现有技术所存在的磷酸铁锂正极材料的性能无法满足使用碳包覆和掺杂等方法制备的磷酸铁锂正极材料的克容量能够超过理论克容量等的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明的一种高容量的石墨烯改性磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于所述的方法包括：

a.制备碳包覆磷酸铁锂粉末，作为被石墨烯包覆的原料；

b.经过优化选择一种含K₂SO₄的水溶液作为电解质溶液，加入反应容器中，反应容器可以是玻璃或陶瓷器具及塑料容器；

c.用天然石墨或石墨粉末压成杆作为制作石墨烯的原料，也作为一个正极工作电压，将钨丝用银焊连接条形天然石墨；用一根铂丝做负极放置于反应容器中；

d.加1-4V电压于石墨电极上，并且SO₄^2-缓慢地插入石墨晶界中；

e.施加高偏移电压+8至+16V，在施加+10V偏移电压前，天然石墨仍然为一个单片，一旦高偏移电压加上，石墨薄片开始膨胀，石墨开始氧化，紧接着加一个负的偏移电压-8V至-16V于石墨电极上，被氧化石墨发生还原，如此重复，石墨迅速离解，直到分解成双层石墨烯薄片，厚度为2-4nm，扩散到溶液中，漂浮于电解质表面上；

f.将漂浮于K₂SO₄溶液上的石墨烯被收集，通过过滤膜真空过滤，将大石墨颗粒除掉后，用水反复洗涤，除去残留酸液；

g.干燥后，最后将得到的石墨烯薄膜的粉末分散在二甲基甲酰胺溶液中，通过温和的水浴进行超声处理；

h.将悬浮液进行离心分离，离心分离悬浮溶液后，所得薄膜片，即为所要的1.5nm级的成品石墨烯薄片，将石墨烯薄片经过硝酸处理；

i.将石墨烯薄片分散在二甲基甲酰胺溶液中，得到浓度为150-500ppm的石墨烯溶液，在高温搅拌的条件下将所制得的石墨烯溶液一滴一滴地添加到碳包覆磷酸铁锂粉末中，通过范德华力石墨烯均匀地包覆在碳包覆磷酸铁锂粉末上，与此同时，二甲基甲酰胺溶剂逐渐蒸发，最后将得到的石墨烯修饰改性的覆碳磷酸铁锂正极材料置于真空干燥箱中，干燥得到的粉末就是成品石墨烯改性磷酸铁锂正极材料，用真空包装保存。

石墨烯是目前已知的世界上最薄、最坚硬的纳米材料，在常温下它的电子迁移率超过1.5×10⁴cm²/V·s，电阻率只有约10^-6Ω·cm，电阻率极低、电子迁移的速度极快的特性让石墨烯在电池应用中拥有广阔的天地，为了克服LFP能量密度低的缺点又要保持LFP安全性能上的优点，我提供一种把石墨烯包覆磷酸铁锂/C上的正极材料,可以提高其充放电效率和倍率性能，并较大地提高电池的能量密度。整个制备工艺简单易行，过程易于控制，可以很好的扩大化生产。

本发明的碳包覆磷酸铁锂粉末采用已公开的发明专利《一种产业化高能量磷酸铁锂材料的制备方法》（专利公开号：CN102916179A）的方法制备。二甲基甲酰胺溶液有利于石墨烯分散；

上述步骤中e步骤是决定性作用的步骤，由于采用占空比可调，我们进行了优化，在正压时占空比为2/7，负压时为5/7,大大减少了石墨烯氧化造成的缺陷，使石墨烯品质优异，然而将它放于硝酸中处理一下，使石墨烯的电阻值由43200Ω/sq下降到660Ω/sq，促使包覆在磷酸铁锂表面的石墨烯有良好的导电性能。