[发明专利]一种氮硫共掺杂碳表面修饰磷酸铁锂正极材料、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及一种正极材料、其制备方法及用途，尤其涉及一种氮硫共掺杂碳表面修饰磷酸铁锂正极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途。

背景技术

磷酸铁锂作为一种锂离子电池正极材料，因其具有价格便宜、环境友好、安全性能高、循环性能好等优点，在动力电池和储能体系领域有着非常广泛应用。磷酸铁锂是一种有序规整橄榄石型结构，属于正交晶系。因此，磷酸铁锂具有非常好热稳定性和循环稳定性，且其理论比容量高达170mAh/g。由于这些优点使得磷酸铁锂成为非常有前景正极材料。虽然磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料有非常多优点，但是其也存在离子扩散系数小、导电性差等方面问题。

CN 105084358A公开了一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭及其制备方法，包括(1)炭化：①浸泡；②水热处理；③离心滤水；④烘干；⑤研磨；(2)活化：①采用阶段式升温和保温；②缓慢降温；③盐酸溶液浸泡；④水洗；⑤烘干；烘干后即成为氮硫共掺杂活性炭。该方法虽然可实现对活性炭的氮硫掺杂用于超级电容器，但是该方法不适用于锂离子电池磷酸铁锂正极材料的改性，而且，该制备方法需要经过浸泡、水热、研磨和条件性的升降温等多步骤，操作繁琐，不适于工业生产。

因而，研发一种简易的方法制备高性能的磷酸铁锂基复合材料具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种氮硫共掺杂碳表面修饰磷酸铁锂正极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途。本发明的方法简单，成本低，环境友好，适合大规模工业生产，而且，得到的正极材料中，氮硫共掺杂碳均匀地包覆在磷酸铁锂的表面，具有优异的倍率性能、低温性能和循环性能。

第一方面，本发明提供一种氮硫共掺杂碳表面修饰磷酸铁锂正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)配制铁盐、锂盐和磷盐的混合溶液，作为第一混合液；

(2)配制碳源、氮源和硫源的混合溶液，作为第二混合液；

(3)向第二混合液中加入第一混合液，得到第三混合液，砂磨，得到前驱体浆料；

(4)采用前驱体浆料进行喷雾干燥，造粒，然后烧结，得到氮硫共掺杂碳表面修饰磷酸铁锂正极材料(命名为LiFePO₄@C-NS复合材料)。

本发明的“氮硫共掺杂碳”即氮硫共掺杂碳膜，其包覆在磷酸铁锂的表面。

通过本发明的方法，在制备得到氮硫共掺杂碳的同时，实现了所述氮硫共掺杂碳对磷酸铁锂的表面修饰，能够有效解决磷酸铁锂扩散系数小、导电性差等问题。

采用本发明的方法得到的氮硫共掺杂碳中，氮和硫掺进碳中，取代了碳原子，形成氮碳键和硫碳键合，使碳膜产生缺陷，提供锂离子和电子传输活性位点。此外，氮硫共掺杂使得碳膜处于富电子状态，电子云往本体材料偏移发生电子云耦合，增加了材料电子导电性。因此，本发明氮硫共掺杂碳表面修饰能够有效提高磷酸铁锂倍率性能，低温性能和循环稳定性。

作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤(1)所述铁盐包括磷酸铁、硝酸亚铁、草酸亚铁、氧化铁或硫酸亚铁中的任意1种或至少2种的混合物，但并不限于上述列举的铁盐，其他本领域常用的可达到相同效果的铁盐也可用于本发明。

优选地，步骤(1)所述锂盐包括氢氧化锂、碳酸锂、磷酸二氢锂和醋酸锂中的任意1种或至少2种的混合物，但并不限于上述列举的锂盐，其他本领域常用的可达到相同效果的锂盐也可用于本发明。

优选地，步骤(1)所述磷盐包括磷酸铁、磷酸二氢锂、磷酸二氢铵和磷酸铵中的任意1种或至少2种的混合物，但并不限于上述列举的磷盐，其他本领域常用的可达到相同效果的磷盐也可用于本发明。

优选地，步骤(1)所述混合溶液的浓度为0.5-2mol/L，例如0.5mol/L、0.6mol/L、0.8mol/L、1mol/L、1.2mol/L、1.3mol/L、1.4mol/L、1.6mol/L、1.8mol/L或2mol/L等。

优选地，步骤(2)所述碳源为葡萄糖、蔗糖、吐温80、柠檬酸、酒石酸或淀粉中的任意1种或至少2种的混合物，所述混合物典型但非限制性实例有：葡萄糖和蔗糖的混合物，葡萄糖、蔗糖和吐温80的混合物，葡萄糖、柠檬酸和酒石酸的混合物，蔗糖、吐温80和淀粉的混合物等。

优选地，步骤(2)所述氮源为三聚氰胺和/或氨基酸。

本发明所述“三聚氰胺和/或氨基酸”指：可以是三聚氰胺，也可以是氨基酸，还可以是三聚氰胺和氨基酸的混合物。

优选地，步骤(2)所述硫源为三聚硫氰酸和/或硫脲。