[发明专利]一种高性能磷酸铁锂复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体的说是一种高性能磷酸铁锂复合材料及其制备方法，具体的说是首先通过高速粒子束轰击将纳米金属或纳米金属化合物材料植入磷酸铁锂的表层中，之后浸泡于催化剂溶液中，再通过化学气相法沉积法在其表面生长石墨烯以提高材料的导电性及其倍率性能。其制备出的材料通过化学键将石墨烯生长于磷酸铁锂表面明显提高其材料的压实密度及其导电性，及其利用粒子注入法精确控制掺杂金属在材料表面的均匀性及其深度和数量，提高其材料的比容量，并应用于高比能量密度锂离子电池。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体的涉及一种高性能磷酸铁锂复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池正极材料磷酸铁锂 (LiFePO₄)理论容量为170mAh/g，可逆充电比容量较高，同时又具有原料来源广泛、污染低、安全性好、循环寿命长等优势，是目前较为理想的动力型和储能型锂离子电池正极材料。但是，磷酸铁锂的离子传导率和电子传导率均较低，只适合在小电流密度下进行充放电，高倍率充放电时比容量降低，这限制了该材料的应用，同时其比容量偏低，限制其在高比能量密度锂离子电池领域的推广。虽然国内外对磷酸铁锂进行了大量的改性研究来提高磷酸铁锂的导电性能，主要包括制备纳米级LiFePO₄、碳包覆、金属离子掺杂等方式，而碳包覆是最常用简单的方法，即主要通过在磷酸铁锂表面包覆葡糖糖、蔗糖等碳源有机物提高其导电性，比如专利（200610035986.1）公开了一种高压固相合成磷酸铁锂正极材料的方法，该方法其主要将锂盐、铁盐、磷酸盐按锂、铁、磷的化学计量比为1∶1∶1的比例混合均匀，球磨6～24h得到前驱体，并在其表面包覆碳材料，发明方法工艺简单，原料来源丰富，采用高压气氛可缩短反应时间，降低反应温度，所得产物实际容量高，循环性能优异，但是其表面包覆碳材料的导电率偏低影响其材料的克容量发挥及其倍率性能。专利（CN1958441A）公开了一种磷酸铁锂粉体的制备方法，其主要是通过将锂盐、铁盐、磷盐、少量的碳的有机物前驱体和掺杂金属离子按照配比并进行高性能球磨混合并制备出高性能的磷酸铁锂材料，但是金属离子的掺杂均匀度差及其与磷酸铁锂之间存在梯度差造成其性能未充分发挥，且表面包覆的碳材料与金属之间的结合力差，一致性差，影响其材料的综合性能发挥。

发明内容

针对目前磷酸铁锂材料克容量及其导电率偏低存在的问题，本发明提供了一种高性能磷酸铁锂复合材料，该复合材料的导电率、比容量等电化学性能高。

本发明还提供了一种上述复合材料的制备方法，该方法通过粒子注入法和气相沉积法在其磷酸铁锂材料表面掺杂金属元素及其包覆石墨烯，提高其材料的克容量和导电率，并对材料进行了可控制备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:

一种高性能磷酸铁锂复合材料，所述的磷酸铁锂复合材料由磷酸铁锂及其纳米金属或纳米金属化合物组成的复合体，并在复合体表面包覆石墨烯组成；其中所述的纳米金属或纳米金属化合物的质量占磷酸铁锂质量的0.5%～5%；所述石墨烯的质量占磷酸铁锂质量的0.5%～5%。

进一步地，所述纳米金属或纳米金属化合物粒径为100nm～500nm；所述的纳米金属为纳米钛单质、纳米镁单质、纳米锰单质、纳米钒单质、纳米铌单质、纳米铬单质或纳米锌单质；所述纳米金属化合物为纳米钛氟化物、纳米镁氟化物、纳米锰氟化物、纳米钒氟化物、纳米铌氟化物、纳米铬氟化物，纳米锌氟化物。

上述复合材料的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：

1）磷酸铁锂前驱体制备：

通过粒子注入法将纳米金属或纳米金属化合物植入在磷酸铁锂本体材料的表层中得到前驱体材料A，配制浓度为5%-20%的催化剂溶液，将所述催化剂溶液与柠檬酸混合得混合溶液B，然后将前驱体材料A添加到混合溶液B中，在温度为20℃～100℃浸泡1h～24h，之后通过真空干燥、粉碎得到材料C；其中所述催化剂与柠檬酸的摩尔比为1:1～10；材料A与混合溶液B的质量比为5～20：200；