[发明专利]一种磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料的制备方法，相对于传统方法，本发明利用铁基催化剂诱导原位生长分散性良好的碳纳米管，以此为原料制备磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料，该材料结构稳定性和热稳定性好，电导率高，粒径较小，分布均匀，有效改善了磷酸铁锂材料的循环性能和倍率性能，有助于进一步推动磷酸铁锂材料的产业化应用。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，特别涉及一种磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料的制备方法。

背景技术

1991年，索尼公司推出了第一个商用锂离子电池，它以钴酸锂为正极材料，碳为负极材料，有效解决了锂枝晶的问题，并从此拉开了锂离子电池大规模使用的序幕。与其它传统的二次电源相比，锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、工作电压高、循环寿命长以及对环境友好等特点，是一种比较理想也是目前应用最广泛的储能装置之一，特别是近年来，随着电动汽车及大规模储能领域的快速发展，锂离子电池的应用前景越来越广阔。但是，锂离子电池的成本和安全问题，仍困扰着学术界和产业界，并很大程度上限制了锂离子电池增长的速度。

正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，对锂离子电池的各项指标有决定性作用，寻求性能优异的正极材料是进一步提升锂离子电池综合竞争力的关键。商业化锂离子电池正极材料包括钴酸锂、三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂，钴酸锂和三元材料均具有层状结构，其比容量和工作电压比较高，但是存在制备成本高、安全稳定性较差的缺点；锰酸锂具有尖晶石结构，制备的成本比较低，但是存在循环性能和高温性能较差的缺点；磷酸铁锂材料具有橄榄石结构，原料资源丰富，比容量相对较高，循环寿命长，安全性能好，是电动汽车和大规模储能用锂离子电池的理想材料。但是，该材料存在锂离子扩散速度慢，电子电导率低的缺点，在充放电过程中电化学极化现象较强，在大倍率放放电条件下性能较差。因此，在实际的使用过程中，需要对磷酸铁锂材料进行改性。通过控制磷酸铁锂材料的粒径，可以缩短锂离子在材料晶格中的扩散距离；通过有益金属元素掺杂，可以使磷酸铁锂材料产生晶格缺陷，进而提升材料的本征电导率和锂离子扩散系数；通过将磷酸铁锂材料与导电性较好的材料复合，可以提升材料颗粒之间的导电性，从而达到改善材料电化学性能的目的。在导电性较好的复合材料中，碳材料是研究的重点，这是因为碳材料有良好的导电性，同时也可以在一定程度上抑制材料粒径的长大。碳纳米管是一种由石墨卷成的碳材料，具有一维空心管结构，碳原子间的外层电子会形成sp2杂化，剩余的电子形成离域大π键，导致碳纳米管中存在可以自由移动的电子，因此碳纳米管的导电性能十分优异。但是，碳纳米管材料由于具有较大的长径比，且比表面积较大，导致材料的团聚十分严重，采用常规的方式和磷酸铁锂材料复合时，难以得到分散均匀的材料。有研究人员提出利用气相沉积法在磷酸铁锂材料中原位生长碳纳米管(CN102427130A，CN101533904A)，以此来提升复合材料的均匀性，但是，沉积过程中用到的催化剂难以去除，影响了最终产品的纯度。

因此，开发一种新的方法来制备电化学性能优异、成分均匀的磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料有非常重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料的制备方法，其目的是为了克服采用常规的方式复合磷酸铁锂材料和碳纳米管时，难以得到分散均匀的材料的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，采用化学气相沉积法将铁基催化剂和气相碳源制备成铁基催化剂/碳纳米管复合材料；

步骤二，采用化学或电化学反应处理步骤一所得的铁基催化剂/碳纳米管复合材料，在反应过程中补充铁源、磷源、锂源和掺杂元素中的一种或多种，得到磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料；

步骤三，向步骤二所得磷酸铁锂前驱体/碳纳米管复合材料中加入锂源和磷源，混合均匀得到复合正极材料混合物；

步骤四，在保护性气氛中，将步骤三所得复合正极材料混合物进行高温固相烧结，随炉自然冷却至室温后，得到磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料。