专利名称：一种锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法
技术领域：
本发明属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池复合材料磷酸铁 锂/碳的制备方法。
背景技术：
目前，磷酸铁锂材料的合成方法主要分成固相法和液相法。固相法主要是利用 铁盐、锂盐和磷酸盐，在高温烧结实现磷酸铁锂的合成。液相法是将可溶性铁盐、锂 盐和磷酸盐溶解在溶剂中，利用离子反应制成磷酸铁锂或其前驱体，再通过高温烧结制 成成品。固相法反应简便，原料容易处理，产率高，但是原料形貌不容易控制，产品 振实密度和压实密度低。例如，发明专利CN101200289、CN1762798、CN101140985 等都是采用固相合成工艺路线。一些新的合成方法，如微波合成法(CN101172597、 CN101807692A)、超声共沉淀法(CN101800311A)，都可以归结到固相合成法中。 而液相法需要利用反应釜进行前期处理，同时也需要干燥、过滤等过程，工艺比较复 杂。但是产品球形度一般较好，振实密度较高，容量和高倍率性能出色。发明专利 CN101172599、CN101047242、CN101121509 都是采用以上工艺路线。磷酸铁材料的成功应用在于其表面包覆有导电碳层。实际是一种磷酸铁锂/碳 复合材料。只有包覆了碳的磷酸铁锂材料才能正常发挥其电化学性能。但是，一般的工 艺加入的碳由于质地疏松，且在磷酸铁锂颗粒间呈松散分布，严重降低了磷酸铁锂材料 的堆积密度，使其振实密度大大低于其理论密度，也影响了随后极片的压实密度。如何 尽量减少正极材料中的碳含量，同时又不降低材料的碳包覆效果，从而不降低电导率、 电化学容量和循环性能，是材料研究的关注问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种锂离子电池复合材料磷酸铁锂/ 碳的制备方法。本发明目的是提供一种具有工艺简单，操作方便，材料性能优良，导电能力 高，堆积密度和压实密度高，产品质量稳定等优点的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳 的制备方法。研究表明，减少碳含量而不降低磷酸铁锂/碳体系的电导率，只能通过引入具 有更高导电能力的碳材料来实现。在实际生产中，合成温度越高，碳材料的石墨化程度 越高，导电性也越好。但高的合成温度会造成磷酸铁锂材料的晶粒过大，锂离子扩散距 离增加，使材料放电容量降低。石墨烯材料的出现，为磷酸铁锂/碳材料的进步提出了理论依据。石墨烯是一 种二维网状结构的碳材料，具有sp2杂化轨道，由于具有显著的量子隧道效应，其电导率 是铜的100倍。石墨烯极薄，又非常柔软，挠曲性极好，是用于磷酸铁锂材料包覆的理 想材料。可以设想，利用适量石墨烯包覆的磷酸铁锂材料，碳含量很少，但材料的电导率并降低。同时由于石墨烯紧紧包覆在磷酸铁锂颗粒表面，晶粒间不会有松散碳，材料 的密度会大幅度提高。本发明提供一种磷酸铁锂/碳复合材料的制备合成方法，其中碳以石墨烯形式 紧紧包覆在磷酸铁锂表面，从而使正极材料中的碳含量减少到1%以下(一般材料中含有 3%以上碳)，材料分布致密，增加了磷酸铁锂材料的致密度。本发明所采用的工艺路线是首先用水热差层剥离技术制备石墨烯稳定分散的 水溶液体系，然后用该溶液处理纯磷酸铁锂材料，使石墨烯吸附在磷酸铁锂颗粒表面， 然后经过热处理使石墨烯和磷酸铁锂紧密结合，即制成了所需要的磷酸铁锂/碳复合材 料。本发明锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法采用如下技术方案 一种锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，用碳包覆磷酸铁锂，其特点
是复合材料磷酸铁锂/碳的制备过程包括
1、制备悬浮的石墨烯分散的水溶液体系用水热差层剥离方法制备悬浮的石墨烯分 散的水溶液体系；将天然石墨粉碎到1-5微米的粒径，加入到蒸馏水或纯净水中，加入 0.1-5%的表面活性剂，在剪切搅拌状态下，密封升温到180-250°C，搅拌2_6小时，降 温；
2、用上述溶液处理纯磷酸铁锂材料将磷酸铁锂粉碎到粒径1-5微米，按照磷酸铁 锂水=1: 1-10的比例加入蒸馏水或纯净水；搅拌状态下，加入总重量0.01-1%的偶 联剂，搅拌均勻；加入上述石墨烯分散的水溶液，搅拌，过滤；
3、热处理石墨烯和磷酸铁锂材料过滤得到的固体粉料在真空烘干，在250-350°C 氮气或氩气气氛下煅烧2-12小时，得到被石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。本发明锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法还可以采用如下技术措 施
所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其特点是表面活性剂为苯 二胺、聚乙烯基吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚等。可以在水热状态进入石墨层间起到剥 离作用，并使石墨烯/水体系稳定。所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其特点是偶联剂为 Y-巯丙基三甲氧基硅烷、甲基异丁基酮肟基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷等。可以附着在 磷酸铁锂表面，易于与石墨烯交联。所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其特点是石墨烯分散 的水溶液中石墨烯的重量百分比浓度为1-10%。所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其特点是加入石墨烯 分散的水溶液后，在20-40°C条件下搅拌4-10小时，然后静置12-36小时，再搅拌。所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其特点是固体粉料真 空烘干时，真空烘干温度为120-150°C。本发明具有的优点和积极效果
锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，由于采用了本发明全新的技术方 案，与现有技术相比，本发明制得的磷酸铁/碳材料，石墨烯完整纳米地分布在磷酸铁 锂材料表面，形成了具有极高导电能力的表面碳层，并不会产生疏松大块碳层。有效地增加了磷酸铁锂正极材料的堆积密度和压实密度。据实验测定，材料中的碳含量降低到 0.8-1%,体电导率维持在0.01S/cm。振实密度提高到1.8g/cm3，0.1C容量达到155mAh/ g，容量极片的压实密度从2.2 g/cm3提高到2.6-2.7 g/cm3。大大改善了磷酸铁锂材料的 综合性能。本发明具有工艺简单，操作方便，材料性能优良，导电能力高，堆积密度和 压实密度高，产品质量稳定等优点。
具体实施例方式为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹列举以下实例，并详细说 明如下
实施例1
锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，首先制备稳定悬浮的石墨烯-水体 系。体系中石墨烯的浓度1%。先将天然石墨粉碎到1微米左右的平均粒径，然后加 入到蒸馏水中，加入0.1%的表面活性剂苯二胺，在高速剪切搅拌状态下，密封升温到 180°C。在高温高压下继续搅拌6小时，降温，制得稳定悬浮的石墨烯-水体系。将纯的磷酸铁锂粉碎到平均粒径1微米，按照磷酸铁锂7jC = 1 1的比例加入 纯净水。搅拌状态下，加入总重量0.01%重量的偶联剂Y-巯丙基三甲氧基硅烷用以增 强磷酸铁锂材料对石墨烯的吸附能力，搅拌均勻。将分散好的石墨烯溶液缓慢加入，在 20°C条件下搅拌4小时。静置12小时。再次搅拌1小时，将液体过滤，得到的固体粉 料在真空条件下120°C烘干去掉水分，然后在250°C氮气氛下煅烧2小时，得到被石墨烯 包覆的磷酸铁锂正极材料。实施例2
锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，首先制备稳定悬浮的石墨烯_水体 系。体系中石墨烯的浓度一般在10%。先将天然石墨粉碎到5微米的平均粒径，然后加 入到纯净水中，加入5%的表面活性剂聚乙烯基吡咯烷酮，在高速剪切搅拌状态下，密封 升温到250°C。在高温高压下继续搅拌2小时，降温，制得稳定悬浮的石墨烯-水体系。将纯的磷酸铁锂粉碎到平均粒径5微米，按照磷酸铁锂水=1: 10的比例加入 纯净水。搅拌状态下，加入总重量1%重量的偶联剂甲基异丁基酮肟基硅烷用以增强磷 酸铁锂材料对石墨烯的吸附能力，搅拌均勻。将分散好的石墨烯溶液缓慢加入，在40°c 条件下搅拌10小时。静置36小时。再次搅拌2小时，将液体过滤，得到的固体粉料在 真空条件下150°C烘干去掉水分，然后在350°C氩气气氛下煅烧12小时，得到被石墨烯包 覆的磷酸铁锂正极材料。实施例3
锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，首先制备稳定悬浮的石墨烯_水体 系。体系中石墨烯的浓度为2%。先将天然石墨粉碎到2微米的平均粒径，然后加入到 纯净水中，加入1%的表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚，在高速剪切搅拌状态下，密封升温 到20(TC。在高温高压下继续搅拌4小时，降温，制得稳定悬浮的石墨烯-水体系。将纯的磷酸铁锂粉碎到平均粒径3微米，按照磷酸铁锂水=1 5的比例加入 纯净水。搅拌状态下，加入总重量0.1%重量的偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷用以增强磷酸 铁锂材料对石墨烯的吸附能力，搅拌均勻。将分散好的石墨烯溶液缓慢加入，在25°C条件下搅拌6小时。静置24小时。再次搅拌1.5小时，将液体过滤，得到的固体粉料在真 空条件下135度烘干去掉水分，然后在30(TC氩气气氛下煅烧8小时，得到被石墨烯包覆 的磷酸铁锂正极材料。 本发明制得的锂离子电池磷酸铁锂/碳复合材料，其石墨烯完整纳米地分布在 磷酸铁锂材料表面，形成了具有极高导电能力的表面碳层，有效地增加了磷酸铁锂正极 材料的堆积密度和压实密度，磷酸铁锂/碳复合材料的具有所述的积极优良效果。
权利要求
1.一种锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，用碳包覆磷酸铁锂，其特征 是复合材料磷酸铁锂/碳的制备过程包括1)制备悬浮的石墨烯分散的水溶液体系用水热差层剥离方法制备悬浮的石墨烯分 散的水溶液体系；将天然石墨粉碎到1-5微米的粒径，加入到蒸馏水或纯净水中，加入 0.1-5%的表面活性剂，在剪切搅拌状态下，密封升温到180-250°C，搅拌2_6小时，降 温；2)用上述溶液处理纯磷酸铁锂材料将磷酸铁锂粉碎到粒径1-5微米，按照磷酸铁 锂水=1: 1-10的比例加入蒸馏水或纯净水；搅拌状态下，加入总重量0.01-1%的偶 联剂，搅拌均勻；加入上述石墨烯分散的水溶液，搅拌，过滤；3)热处理石墨烯和磷酸铁锂材料过滤得到的固体粉料在真空烘干，在250-350°C 氮气或氩气气氛下煅烧2-12小时，得到被石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
2.按照权利要求1所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其特征是 表面活性剂为苯二胺、聚乙烯基吡咯烷酮或烷基酚聚氧乙烯醚。
3.按照权利要求1所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其特征是 偶联剂为Y-巯丙基三甲氧基硅烷、甲基异丁基酮肟基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷。
4.按照权利要求1、2或3所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其 特征是石墨烯分散的水溶液中石墨烯的重量百分比浓度为1_10%。
5.按照权利要求1、2或3所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其 特征是加入石墨烯分散的水溶液后，在20-40°C条件下搅拌4-10小时，然后静置12-36 小时，再搅拌。
6.按照权利要求1、2或3所述的锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，其 特征是固体粉料真空烘干时，真空烘干温度为120-150°C。
全文摘要
本发明涉及一种锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法。本发明属于锂离子电池技术领域。一种锂离子电池复合材料磷酸铁锂/碳的制备方法，制备过程包括1)制备悬浮的石墨烯分散的水溶液体系将石墨粉碎到1-5微米，加入到蒸馏水或纯净水中，加入0.1-5%的表面活性剂，在搅拌状态下，密封升温到180-250℃，搅拌2-6小时，降温；2)将磷酸铁锂粉碎到粒径1-5微米，加入蒸馏水或纯净水；搅拌下，加入0.01-1%的偶联剂，搅拌均匀；加入石墨烯分散的水溶液，搅拌，过滤；3)过滤得到的固体粉料在真空烘干，煅烧2-12小时，得到被石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。本发明具有工艺简单，材料性能优良，导电能力高，堆积密度和压实密度高等优点。
文档编号H01M4/1397GK102013477SQ20101053738
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者朱杰, 杜振山 申请人:河北力滔电池材料有限公司