[发明专利]一种包覆型磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种包覆型磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用，采用两种不同的碳源分两步原位包覆制备得到了包覆型磷酸铁锂正极材料，同时利用掺杂含氧化合物对磷酸铁锂正极材料进行离子掺杂，有效提升了材料的电化学性能，使其具有高倍率性能和良好的循环稳定性，5C倍率时该包覆型正极材料的放电比容量≥142mAh/g，循环1000次后容量保持率大于90％。此外，本发明制得的包覆型磷酸铁锂正极材料的振实密度更高，产品粒径更小并且均一，且整个制备过程采用一步法完成，适用于大规模推广。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料制备技术领域，具体涉及一种包覆型磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

动力电池是决定新能源汽车商业化推广的关键，其中占其总成本约35％的正极材料则是决定其性能的关键，也是其更新换代的核心技术。

磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料，其不含任何对人体有害的重金属元素。磷酸铁锂晶格稳定性好，锂离子的嵌入和脱出对晶格的影响不大，故而具有良好的可逆性，其在100％DOD条件下，可以充放电2000次以上。但磷酸铁锂主要存在的不足是电极离子传导率差，不适宜大电流的充放电，因此限制了其大规模的应用。

现有技术一般通过在磷酸铁锂正极材料表面包覆导电材料、掺杂进行电极改性等方式进行改进。例如CN105789620A公开了一种磷酸铁锂正极材料的制备方法及磷酸铁锂正极材料，将碳纳米管的化学气相沉积法与磷酸铁锂的固相合成法相结合，在高温煅烧时，随着磷酸铁锂合成，碳纳米管逐步沉积在磷酸铁锂颗粒表面，在颗粒内部及颗粒间形成三维导电通路，提高了正极材料的导电性能。CN101714634A公开了一种碳包覆的磷酸铁锂的微波制备方法，采用微波加热的方法，同时将碳源气体气相热解，使碳物种沉积在磷酸铁锂表面，以获得碳包覆结构完整、均匀且牢固的磷酸铁锂，同时该制备方法能显著提高磷酸铁锂材料的机械加工性能和电化学性能。CN105633369A公开了一种碳包覆磷酸铁锂材料的制备方法，首先对纯相磷酸铁锂进行表面改性，再在磷酸铁锂表面包覆一层离子液体聚合物，然后高温裂解磷酸铁锂表面的离子液体聚合物，获得碳包覆的磷酸铁锂材料；采用离子液体聚合物作为碳源，能够在磷酸铁锂颗粒表面形成多孔的、含氮、含硼或含磷等元素的碳包覆层。

上述方法利用碳包覆的方式改善了磷酸铁锂的电化学性能，但所得正极材料中仍然存在导电性不足、放电比容量低等诸多问题，需要继续进行改善。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种包覆型磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用，进一步改善磷酸铁锂正极材料的电化学性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种包覆型磷酸铁锂正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将碳源C1、铁源与磷源混合，调节pH后对其进行超声处理；所述碳源C1为硫掺杂石墨烯；

(2)将步骤(1)超声处理后得到的产物转移至反应釜中，然后加入磷酸溶液搅拌进行反应，得到碳源C1原位包覆的无水磷酸铁；

(3)将步骤(2)得到的C1原位包覆的磷酸铁与锂源、氮掺杂含氧化合物、碳源C2混合后进行砂磨，砂磨完成后喷雾干燥，得到正极材料前驱体；所述碳源C2为氮、磷共掺杂碳材料；

(4)将步骤(3)得到的正极材料前驱体升温进行煅烧，冷却后得到所述包覆型磷酸铁锂正极材料。

本发明采用两种不同的碳源分两步原位包覆制备得到了包覆型磷酸铁锂正极材料。两种碳源和传统碳源的组成不同，本发明中的两类碳源里，碳源C1为硫掺杂石墨烯和，碳源C2为氮、磷共掺杂碳材料，这两类碳源的添加能够有效抑制铁离子在电解液中的溶解，防止正极材料结构坍塌，更有助于提高正极材料的倍率性能和循环稳定性。