[发明专利]一步实现碳包覆和Na+掺杂制备LiFePO4正极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料的合成以及性能改善领域。

背景技术

能源、环境问题和信息技术已成为人类21世纪最热门的课题。自人类文明开始,旨在为人类提供舒适生活而进行的能源研究随之开始,其领域涉及了化石燃料、核能、太阳能等。进入信息化时代,以研究效率更高、更便捷、更安全和无污染的能源研究己然兴起。目前,内燃机消耗着人类每年所需能源的1/3,是化石燃料的主要消费方式。同时,人们对全球变暖和大气污染的关注日益强烈。作为替代能源,电池具有许多优点。现今,锂离子电池、燃料电池和镍氢电池被称之高级能源,正逐步替代几种传统的能源体系,如铅酸和镍福电池。在所有可能的能源体系中,锂离子电池优势明显。锂离子电池技术主要是基于金属锂的优点:标准电极电位最负,为-3.04V；重量最轻的金属,摩尔质量为6.94g/mol,密度为0.534g/cm;体积和质量能量密度高,电化学当量最小,为0.26gAh。

1997年,Goodenough研究小组首次报道了具有橄榄石结构的锂离子电池正极材料LiFePO₄,在电池材料界引起了轰动。LiFePO₄以其优异的性能和特点获得到了锂离子电池材料研究者的青睐:低廉而丰富的原材料、对环境友好、无毒、合成简单、3.4—3.5V的锂离子脱嵌电位、循环性能好、理论容量为170mAh/g。LiFePO₄也是最适合发展动力电池的锂离子电池正极材料之一。

LiFePO₄用作锂离子电池正极材料的缺点有：

电导率低下：其固有的晶体结构造成了其电子导电率低下,仅为10-10—10-9S/cm远小于己商品化的LiCoO₂(10-3S/cm)和LIMn₂O₄(2×10-5～5×10-5S/cm)；

倍率性能差：由于材料的电导率低下造成了高倍率充放电容量低下；

密度低，加工性能差：与理论密度3.6g/cm³相比，实际合成的LiFePO₄密度一般低于lg/cm³，不利于正极片的加工；

合成设备要求较高：由于二价铁在高温下容易被氧化，LiFePO₄制备须在惰性气氛下进行,这提高了生产成本；

尽管LiFePO₄缺点明显,但其突出的优点使其成为研究最多的锂离子电池正极材料之一。人们采用各种制备方法合成了LiFePO₄,并在合成过程中通过不同方式对材料进行改性,以提高其电化学性能。

随着传统能源的日益枯竭，橄榄石型磷酸铁锂以其环保、廉价、可再生等优势受到人们的广泛关注。但LiFePO₄其自身存在的电子电导率低、Li⁺扩散速度慢的不足，限制了其工业化进程。时下比较有效的改性方法就是在其表面包覆碳膜和在晶格内部掺杂金属元素，从而达到增加其导电性能的目的。基于此，本申请采用高温热解聚丙烯酸钠的方法同步实现碳包覆和Na⁺掺杂制备LiFePO₄正极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用高温热解聚丙烯酸钠的方法同步实现碳包覆和Na⁺掺杂制备LiFePO₄正极材料。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

将Li₂CO₃（97%，AR），FePO₄·4H₂O(98%，AR)按1:2的摩尔比称取，聚丙烯酸钠以Li₂CO₃（97%，AR）与FePO₄·4H₂O(98%，AR)质量和的10%称取，将上述原料分别放入球磨罐中，再将分散剂无水乙醇加至球磨罐中（分散剂无水乙醇加热后会全部挥发掉，其加入量没有太多限制，通常可以选择加至球磨罐1/3高度处），然后进行球磨；球磨12h后置于70℃烘箱中烘干8h。研磨均匀后在通氮气的管式炉中700℃灼烧8h即得到碳包覆和Na⁺掺杂的LiFePO₄正极材料。

本发明的有意效果在于：