[发明专利]一种锂电池正极复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料的制备技术领域，具体涉及一种锂电池正极复合材料的制备方法。

背景技术

自从1997年Goodenough及其同事的工作以来，橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO₄，LFP)已经作为锂电池的正极材料而受到了广泛而深入的研究。此外，LiFePO₄由于其起始材料成本低、理论容量高(170mAh/g)、工作电压适宜(3.4V vs.Li⁺/Li)，长循环稳定性和无毒性等众多吸引人的优点，而取得了巨大的商业成功。尽管有这些优点，纯LiFePO₄在电导率低(～10^-9S/cm)和Li⁺扩散缓慢等方面的固有缺陷，限制了其进一步的应用和发展。

为了克服这些缺陷，可以将LiFePO₄与高导电性碳质材料结合，以提高LiFePO₄的容量和性能。所使用的碳表面包覆可以提高LiFePO₄的导电性，并且防止LiFePO₄直接接触电解质，这将提高材料的倍率容量和电化学性能。二维碳材料，如具有柔性结构和大比表面积的石墨烯，能够为LiFePO₄纳米颗粒提供固定的基底，防止LiFePO₄团聚，有效提高电极材料的锂离子扩散速率。多孔碳结构可以充当电解质容器，增加电极和电解质之间的接触。具有3D网络的多孔碳结构也可为Li⁺运输和电子转移提供便利。与碳包覆相比，氮掺杂的碳材料可以在导带中提供更多的电子载流子，有效增强材料的电子传导性和锂离子扩散性能。含氮官能团的引入通过增加碳和LiFePO₄之间的相互作用，来增强碳对电解质的润湿性和亲和力，这将有利于LiFePO₄的分散。与此同时，掺杂氮的碳包覆也可以增加Li⁺的储存位点。

研究表明，多巴胺在颗粒表面的聚合与碳化是电极材料进行氮掺碳包覆的有效方法。多巴胺能够自聚合成聚多巴胺，由于聚多巴胺具有强大的包覆能力，它可以在纳米颗粒表面上形成连续且均匀的膜。电极材料表面聚多巴胺涂层，可以通过其惰性气氛中的煅烧处理而碳化，形成氮掺杂的碳包覆层。然而，多巴胺的聚合过程需要弱碱性环境，因此通常在Tris-缓冲溶液中进行，所得产物需要反复分离和洗涤，这增加了制备过程的复杂性并导致所得产物不可避免的损失。

TiO₂由于其结构稳定性和化学惰性而广泛应用在锂离子电池中。由于其成本低廉，制备方便，环境友好和高稳定性，TiO₂是提高锂电池阴极电化学性能的有效方法。TiO₂包覆的稳定作用在于TiO₂纳米粒子能够阻止阴极材料溶解，抑制阴极和电解液之间的副反应。此外，TiO₂和碳的协同作用能够提高Li吸收能力并增强电子传导性。

发明内容

针对现有技术中存在问题或不足，为克服现有LFP锂电池正极材料复杂的制备过程及其导致所得产物不可避免损失的问题，本发明提供了一种锂电池正极复合材料的制备方法，该复合材料为TiO₂与氮掺杂碳共包覆的LiFePO₄。

具体技术方案如下：

步骤1、将LiFePO₄、钛的化合物和含氮碳源超声溶解分散在有机溶剂中，然后将其搅拌反应4～24小时。

步骤2、将步骤1所得溶液蒸干，再研磨5～30分钟、最后在500～700℃的惰性气氛条件下煅烧3～6h，自然冷却至室温即可得到最终产物；其中TiO₂与氮掺杂碳的总含量为0.5wt％～20wt％，LiFePO₄含量为80wt％～99.5wt％，TiO₂与氮掺杂碳之间的质量比为1/9～9/1。

优选地，所述步骤1中钛的化合物为钛酸四丁酯、硫酸氧钛、四氯化钛和/或硫酸钛。

优选地，所述步骤1中含氮碳源为多巴胺、1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺(EMI-DCA)、三聚氰胺、乙腈、苯胺和/或吡咯。

优选地，所述步骤2中惰性气氛条件为氮气或氩气气氛。