[发明专利]一种介孔碳/磷酸铁锂复合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种介孔碳/磷酸铁锂复合纳米材料及其制备方法和应用，所述介孔碳/磷酸铁锂复合纳米材料的制备方法包括以下步骤：(1)制备多层中空SiO₂；(2)将碳源和硫酸灌注到步骤(1)得到的多层中空SiO₂中反应，使用碱性溶液溶解得到介孔碳；(3)将介孔碳分散于水中形成分散液，而后将铁源、锂源、磷酸盐和有机酸加入到分散液中混合得到所述介孔碳/磷酸铁锂复合纳米材料；本发明提供的制备方法，能够合成多层中空球壳结构的材料，能够增大复合纳米材料的表面积，缩短锂离子的扩散路径，同时，形成的介孔碳可包埋在磷酸铁锂内部，与多层中空结构协同促进提升材料的电导率，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种介孔碳/磷酸铁锂复合纳米材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种多层中空的介孔碳/磷酸铁锂复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高，比能量高、循环寿命长、无记忆效应的优点使得锂离子电池实现商品化以来，大量应用于电子产品，如如手机，数码相机，笔记本电脑等。锂离子电池的正极材料主要有以下几类：LiCO₂、LiNiO₂、三元材料、LiMn₂O₄和LiFePO₄等。具有橄榄石结构的LiFePO₄原料来源广泛、价格便宜(约为钴酸锂的1/5)、无毒、对环境友好，特别是其具有热稳定好、安全性高(与镍镉电池相当)、循环性能好和比能量高等突出优点，所以LiFePO₄在众多正极材料中脱颖而出，标志着“锂离子电池一个新时代的到来”。

LiFePO₄的合成方法很多，但是各有利弊。例如：传统的固相法和碳热还原法制得的产物形貌无规、粒度分布范围宽、合成温度高，适用于工业生产；水热或溶剂热法可以制得物相均匀、颗粒小、结晶性好的LiFePO₄，但是制备条件要求苛刻，需要高温高压条件，对设备要求高，限制了工业化生产；共沉淀法和溶胶凝胶法不能直接得到目标产物，后续要高温处理，步骤多、能耗大；微波法制得产物颗粒较大、形貌较差，并且要求前驱体能够吸收微波，限制了其应用。回流法采用常压回流装置制备LiFePO₄，具有工艺简单、设备廉价等优势，但是通过回流法制得的LiFePO₄物相不纯，结晶性差、电化学性能低等问题。

在商业化应用中，LiFePO₄的电子传导率和离子传导率较低，在大倍率下充放电时比容量低。为了提高其大电流充放电性能，必须改善其电子导电性，镀碳、复合碳或直接掺杂导电碳就是很有效的解决办法，并且碳掺杂后材料的体积密度大大降低。所以该材料要达到实用化，关键是提高电子导电性。

研究发现，将LiFePO₄进行多孔纳米化设计可大大减小颗粒尺寸，缩短了锂离子在固相中的迁移距离，为锂离子的扩散提供了更多的通道；多孔纳米化处理使LiFePO₄颗粒具有大的比表面积，增加了材料与电解液的接触面积，增加了反应的界面。R.Dominko等人利用溶胶-凝胶法制备的表面包覆碳的磷酸铁锂纳米粒子提高了电极材料的倍率性能，减轻循环过程中因体积膨胀而导致结构的破坏，提高电池的循环寿命。

CN108923046A中公开了一种纳米多孔富锂磷酸铁锂材料的制备方法，制备过程为：首先将纳米锂粉溶于有机聚合物中进行包覆得到锂粉复合体，同时将锂盐、磷盐、铁源在原子级别上充分混合，并加入氨基锂搅拌均匀后，再添加上述锂粉复合体，之后溶于葡萄糖溶液中，搅拌均匀后，经过喷雾干燥得到前驱体，将前驱体溶于四氢呋喃中去除聚合物模版并经过热处理得到多孔富锂磷酸铁锂复合材料。制备出的纳米多孔富锂磷酸铁锂材料锂离子扩散路径短，提高了在充放电过程中锂离子的传输速率、克容量发挥及其吸液能力，具有倍率性能佳、循环性能优异等特性。此方法制备过程中需要使用大量的有机络合剂，成本非常高。

因此，如何开发一种具有优良电导率的磷酸铁锂材料，对于提升电池寿命以及电池的性能具有重要的意义。

发明内容