[发明专利]石墨烯-碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了石墨烯‑碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用，方法包括：(1)将MgO和PEG的混合物置于惰性气氛下，高温裂解，以便得到石墨烯；(2)将锂源、铁源和磷源混合，研磨，以便得到前驱体；(3)将石墨烯、碳源和溶剂混合，搅拌，以便得到分散液；(4)将前驱体和分散液混合，研磨，干燥，在惰性气氛下高温烧结，以便得到石墨烯‑碳包覆磷酸铁锂正极材料。本发明采用MgO催化PEG高温条件裂解生成的石墨烯为较薄的片层结构，具有较高的石墨化程度、比表面积和电子迁移速率，利用该石墨烯作为磷酸铁锂颗粒间的导电网络结构，能够提高碳包覆磷酸铁锂正极材料整体的导电子能力，提升其作为正极材料的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明属锂离子电池技术领域，具体涉及一种石墨烯-碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因可快速充放电、循环寿命长、输出功率大、平均输出电压高、绿色环保等优势在电动汽车、储能、笔记本电脑、无人机等其他电子设备中展现出良好的发展前景。在锂离子电池中，正极材料是决定电池性能的重要部分。当前，锂离子电池常用正极材料有钴酸锂、磷酸铁锂、三元正极材料和锰酸锂四种，其中，磷酸铁锂因具有较良好的循环性能、热稳定性和较低的成本被认为是进行大型电池模块生产的最佳材料。但呈橄榄石结构的磷酸铁锂具有较低的导电子和导离子能力，使得其能量密度较低、高倍率充放电性能较差，限制了其实际应用。常用于改善磷酸铁锂性能的方式包括细化颗粒、离子掺杂和碳包覆。当前对磷酸铁锂进行碳包覆的工艺技术较简单，传统工艺中使用的碳包覆技术不能保证得到完整的碳包覆结构且碳包覆的磷酸铁锂间导电网络缺失，使得磷酸铁锂的导电性能改善不明显，倍率性能和循环性能提升效果不明显。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种石墨烯-碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用，本发明采用MgO催化PEG高温条件裂解生成的石墨烯为较薄的片层结构，具有较高的石墨化程度、较高的比表面积和较高的电子迁移速率，利用该石墨烯作为磷酸铁锂颗粒间的导电网络结构，能够提高碳包覆磷酸铁锂正极材料整体的导电子能力，从而提升了其作为正极材料的倍率性能和循环性能。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备石墨烯-碳包覆磷酸铁锂正极材料的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将MgO和PEG的混合物置于惰性气氛下，高温裂解，以便得到石墨烯；

(2)将锂源、铁源和磷源混合，研磨，以便得到前驱体；

(3)将所述石墨烯、碳源和溶剂混合，搅拌，以便得到分散液；

(4)将所述前驱体和所述分散液混合，研磨，干燥，在惰性气氛下高温烧结，以便得到石墨烯-碳包覆磷酸铁锂正极材料。

根据本发明实施例的制备石墨烯-碳包覆磷酸铁锂正极材料的方法，步骤(1)采用MgO催化PEG在高温条件下裂解碳氢分子产生碳原子，碳原子在MgO的表面扩散、沉积并生长形成石墨烯片层，生成的石墨烯片层结构厚度大约为(约10nm)，具有较高的石墨化程度(I_G/I_D＝1.0-1.2)、较高的比表面积(1000-2000m²/g)和较高的电子迁移速率(10³-10⁶S/m)，利用该石墨烯作为磷酸铁锂颗粒间的导电网络结构，能够提高碳包覆磷酸铁锂正极材料整体的导电子能力，从而提升了其作为正极材料的倍率性能和循环性能。

另外，根据本发明上述实施例的制备石墨烯-碳包覆磷酸铁锂正极材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述高温裂解的温度为800-1200摄氏度，所述高温裂解的时间为10-20分钟。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述MgO和所述PEG的质量比为1.5:(1-6)。