[发明专利]一种磷酸铁锰锂/石墨烯/碳复合材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

从移动电子设备到电动车动力源，锂离子电池正得到越来越广泛的应用，而锂离子电池性能的改善主要取决于嵌脱锂电极材料的性能。目前，商用锂离子电池广泛采用层状LiMO₂和尖晶石LiM₂O₄结构的化合物（M=Co、Ni、Mn等过渡金属离子）及其改性材料，这类材料存在诸如成本高、循环寿命不好等不足。

作为锂离子电池正极材料，橄榄石结构磷酸锰锂（LiFe_xMn_1-xPO₄）材料具有低成本、工作电压高、环境友好、比容量大等优点而备受关注。然而该材料的电导率较低和动力学较差，导致其的实际容量很小和倍率性能较差，限制了它的实际应用。减小粒径可以缩短锂离子和电子的传输距离是提高LiFe_xMn_1-xPO₄倍率容量的有效途径。溶剂热是合成纳米材料方面有巨大优势，产物结晶性好、相纯、粒径分布窄。科研工作者在溶剂热法合成LiFe_xMn_1-xPO₄的研究中做了大量工作，但很难将材料粒径降低到100nm以内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、环境友好、工作电压高、比容量大，而且电导率高的新型锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。

本发明提供的锂离子电池正极材料，是一种磷酸铁锰锂/石墨烯/碳复合材料，由磷酸铁锰锂、石墨烯、碳三种材料复合组成，碳层均匀包覆于颗粒表面，且材料粒径小于100nm，其中，磷酸铁锰锂为LiFe_xMn_1-xPO₄，0<x<1。

本发明提出的磷酸铁锰锂/石墨烯/碳复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）制备磷酸铁锰锂/石墨烯复合材料：1–80mg氧化石墨烯分散在15mL甲基吡咯烷酮中，4-6mLLiOH（浓度为2.5-3.5molL^-1，优选浓度为3molL^-1），4-6mLH₃PO₄（浓度为0.5-1.5molL^-1，优选浓度为1molL^-1），4-6mLMnSO₄和FeSO₄混合溶液（MnSO₄和FeSO₄两种盐浓度共计为0.8-1.5molL^-1，优选浓度为1molL^-1）的水溶液依次加入氧化石墨烯分散液中，转入水热釜中，140–220℃反应2–24h，得到磷酸铁锰锂/石墨烯复合材料；

（2）制备磷酸铁锰锂/石墨烯/碳复合材料：0.5g磷酸铁锰锂/石墨烯复合材料与0.1–0.5g蔗糖混匀，惰性气氛下，550–700℃高温处理，即得磷酸铁锰锂/石墨烯/碳复合材料。

上述制备的磷酸铁锰锂/石墨烯/碳复合材料，可用于制备非水电解质的电化学器件中的正极材料。具体来说，所述非水电解质的电化学器件由正极膜、负极膜、介于两者之间的隔膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质组成，其中，所述正极部分采用磷酸铁锰锂/石墨烯/碳复合材料。

本发明中，所述的电化学器件，包括负极采用碳类及非碳类锂离子嵌入化合物的含有机电解质的锂离子电池，采用活性碳或赝电容电极材料含有机电解质的混合型电化学电容器。

本发明中，所述的含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质为液体电解质、离子液体、聚合物电解质或全固态电解质。

本发明中，所述的负极锂离子嵌入化合物中，所述碳类材料主要为石墨化碳、非石墨化碳、碳纳米管和石墨烯等材料中的一种或其中的几种，或者为上述化合物材料表面改性处理的电极材料；所述而非碳类材料为钛酸锂、磷基材料、锡基金属材料、钒基负极材料等材料中的一种或其中的几种，或者为上述化合物材料掺杂或表面改性处理的电极材料；所述活性碳电极材料选自活性炭、碳纤维、碳气溶胶、碳纳米管或石墨烯等；所述赝电容电极材料选自金属氧化物电极材料（如RuO₂，NiOx、MnO₂、V₂O₅，CoOx等）与聚合物电极材料（如PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT）。