磷酸铁锂基复合正极材料及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种磷酸铁锂基复合正极材料，其由磷酸铁锂和石墨烯组成，石墨烯形成的薄膜均匀包裹着磷酸铁锂纳米晶体，磷酸铁锂由其前驱体转化得到，其前驱体和石墨烯是经一次反应同时合成。该复合正极材料的制备包括：将锂源、铁源和磷酸盐按化学计量比混合，加入纳米级鳞片石墨等，经高能球磨后得到前驱体，然后将所得前驱体在非氧化性气氛中加热，保温，得到本发明产品。本发明的磷酸铁锂基复合正极材料可作为锂电池正极材料进行应用，该类锂电池在2C倍率下首次放电比容量可达163mAh?g-1以上，2C倍率下1000次循环后的电池比容量保持率大于95%。
【专利说明】磷酸铁锂基复合正极材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于锂离子二次电池材料领域，尤其涉及一种磷酸铁锂锂电复合正极材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]化石能源的消耗和环境污染促进了清洁二次能源的开发利用，锂离子电池因其高能量密度、高循环性能和高安全性能而备受关注。橄榄石结构的磷酸铁锂因具有成本低、脱嵌锂可靠性好、热稳定性好等优点，被认为是可应用于电动汽车的理想正极材料，但其电子导电性差，致使其倍率性能受到限制。
[0003]石墨烯具有很好的电子导电性，比表面积大，机械性能好，在较宽电压范围内贡献储锂容量，被认为是工业味精，被广泛用于改善材料的导电性。石墨烯改性磷酸铁锂也受到科研工作者的广泛关注。CN102544516A号中国专利文献利用石墨烯或氧化石墨烯分散液与磷酸铁锂前驱体原料分步混合回流，得到的复合前驱体经还原性气氛烧结后得到石墨烯改性磷酸铁锂复合正极材料。CN102148371A号中国专利文献公开了一种三明治结构的石墨烯/磷酸铁锂复合材料的制备方法，其采用液相法合成“三明治”结构的石墨烯/磷酸铁前驱体，再采用碘化锂液相低温反应嵌锂或还原(惰性)气氛下高温煅烧得到石墨烯/磷酸铁锂复合材料。CN102169986A号中国专利文献利用球磨得到磷酸铁锂前驱体，然后通过气相沉积法在所得前驱体上生长石墨烯，最后在氢气气氛中煅烧生成LiFePO4/石墨烯复合材料。虽然目前对磷酸铁锂/石墨烯复合材料的研究报道很多(CN102299326A，CN103094564A等)，但都是基于在磷酸铁锂或者其前驱体上包覆或者复合石墨烯或氧化石墨烯，再经过热处理获得复合材料。由于合成石墨烯的过程复杂繁琐，导致制备复合材料的过程长、效率低。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种电池容量保持率高、性能稳定均一、电化学性能优异的磷酸铁锂基复合正极材料，还相应提供一种该磷酸铁锂基复合正极材料的制备方法和应用。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种磷酸铁锂基复合正极材料，所述复合正极材料主要由磷酸铁锂和石墨烯组成，所述石墨烯均匀分散在磷酸铁锂中，且石墨烯形成的薄膜均匀包裹着磷酸铁锂纳米晶体，所述磷酸铁锂由其前驱体转化得到，所述磷酸铁锂纳米晶体的前驱体和石墨烯是经一次反应同时合成。
[0006]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的磷酸铁锂基复合正极材料的制备方法，包括以下步骤:将锂源、铁源和磷酸盐按化学计量比混合，再向混合物中加入纳米级鳞片石墨、分散剂和发泡剂，经高能球磨后得到磷酸铁锂-石墨烯前驱体，然后将所得磷酸铁锂-石墨烯前驱体在非氧化性气氛中加热到500°C?750°C，保温3?24小时，即得到磷酸铁锂基复合正极材料。[0007]上述技术方案的球磨过程中，球磨罐内球的运行轨迹及碰撞方式可以通过调整球磨机的研磨公转盘和支撑自转盘的速率比来进行调整。通过改变自转/公转的速率比，就可根据需要来控制研磨介质球的运动和轨迹，这样研磨介质球就可以垂直撞击研磨碗的内部(高碰撞能量)，互相切线式的推动(高摩擦力)或者是从研磨碗的内侧滚动下来(离心研磨)。因此优选的方案是，所述高能球磨过程中，球磨撞击方式为切线式摩擦碰撞。所述切线式摩擦碰撞优选是通过调整球磨机的研磨公转盘和支撑自转盘的旋转速率比进行控制。所述支撑自转盘的自转速率与研磨公转盘的公转速率比控制在1:1?10:1。
[0008]上述的制备方法，优选的，所述球磨机为可变速率比的行星式球磨机，所述高能球磨的时间为0.5?15小时(更优选5?10小时)。
[0009]上述的制备方法，优选的，所述锂源为草酸锂，所述铁源为草酸亚铁，所述磷酸盐
为磷酸二氢铵。
[0010]上述的制备方法，优选的，所述纳米级鳞片石墨为粒度在500纳米以下的鳞片石墨，其用量为磷酸铁锂质量的0.5%?15%。该磷酸铁锂的质量是指根据原料配比及反应原理计算出的产物中磷酸铁锂的理论质量。
[0011]上述的制备方法，优选的，所述分散剂为蒸馏水、乙醇、乙二醇、丙酮中的一种或多种；所述发泡剂为十二烷基硫酸铵、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、松香皂、氯氟甲烷、石油醚中的一种或多种。
[0012]上述的制备方法,优选的,所述非氧化性气氛为氩气、氮气或氩氢混合气。
[0013]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的磷酸铁锂基复合正极材料作为锂电池正极材料的应用，所述含磷酸铁锂基复合正极材料的锂电池在2C倍率下首次放电比容量可达163mAh g—1以上，2C倍率下1000次循环后的电池比容量保持率大于95%。
[0014]本发明的上述技术方案主要基于以下思路:通过在磷酸铁锂基复合正极材料的制备过程中，一步反应同时实现石墨烯与磷酸铁锂前驱体合成与复合，使磷酸铁锂-石墨烯的合成变得简单高效，使正极材料产品的电化学性能获得明显提高。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0016]1.本发明通过机械剥离活化法-低温热处理法合成得到磷酸铁锂基复合正极材料，得到的复合正极材料中磷酸铁锂和石墨烯分布均匀，电化学性能异乎寻常的优异，用该复合正极材料制作的电池在小倍率下的容量接近甚至超过了磷酸铁锂的理论容量，在2C倍率下容量可达160mAh g4以上，1000次循环电池容量保持率可大于95%。
[0017]2.本发明的制备方法中创造性地通过一步反应同时完成石墨烯和磷酸铁锂前驱体的合成制备，在球磨过程中，石墨被剥离成石墨烯，同时均匀分散在磷酸铁锂前驱体中，这大大缩短了复合正极材料的合成工艺路线，节约了工艺耗时，整个工艺步骤简单、工艺效率高，产品一致性好。
[0018]3.本发明的制备方法中， 申请人:经过大量试验发现切线式碰撞方式能达到出乎意料的球磨效果，即合成的复合正极材料中石墨烯薄膜大且均匀包裹着磷酸铁锂纳米晶体，不见有颗粒状石墨存在，这是我们迄今为止发现的唯一能通过球磨直接剥离石墨成石墨烯的撞击方式。
[0019]综上所述，本发明的制备工艺不仅步骤简单、高效，而且产品的一致性好，产品的电化学性能十分优异，在今后锂离子电池的应用中前景广阔。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例1中磷酸铁锂基复合正极材料的TEM图。
[0021]图2为本发明实施例1中磷酸铁锂基复合正极材料的充放电曲线图。
【具体实施方式】
[0022]为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0023]除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
[0024]在具体实施的过程中，本发明的磷酸铁锂基复合正极材料主要由磷酸铁锂和石墨烯组成，石墨烯均匀分散在磷酸铁锂中，且石墨烯形成的薄膜均匀包裹着磷酸铁锂纳米晶体，磷酸铁锂由其前驱体转化得到，磷酸铁锂纳米晶体的前驱体和石墨烯是经一次反应同时合成。
[0025]本发明的磷酸铁锂基复合正极材料的制备方法在具体实施时，包括以下步骤:将锂源、铁源和磷酸盐按化学计量比混合，再向混合物中加入纳米级鳞片石墨、分散剂和发泡齐?，经高能球磨后得到磷酸 铁锂-石墨烯前驱体，然后将所得磷酸铁锂-石墨烯前驱体在非氧化性气氛中加热到500°C~750°C，保温3~24小时，即得到磷酸铁锂基复合正极材料。高能球磨过程中，球磨撞击方式为切线式摩擦碰撞。切线式摩擦碰撞是通过调整球磨机的研磨公转盘和支撑自转盘的旋转速率比进行调整，速率比控制在1:1~10:1。球磨机为可变速率比的行星式球磨机，高能球磨的时间为0.5~15小时。纳米级鳞片石墨为粒度在500纳米以下的鳞片石墨，其用量为磷酸铁锂质量的0.5%~15%。分散剂为蒸馏水、乙醇、乙二醇、丙酮中的一种或多种；发泡剂为十二烷基硫酸铵、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、松香皂、氯氟甲烷、石油醚中的一种或多种。非氧化性气氛为氩气、氮气或氩氢混合气。
[0026]实施例1:
[0027]—种如图1所示本发明的磷酸铁锂基复合正极材料，该复合正极材料主要由磷酸铁锂和石墨烯组成，石墨烯均匀分散在磷酸铁锂中，且石墨烯形成的薄膜均匀包裹着磷酸铁锂纳米晶体，磷酸铁锂由其前驱体转化得到，磷酸铁锂纳米晶体的前驱体和石墨烯是经一次反应同时合成。
[0028]本实施例的磷酸铁锂基复合正极材料的制备方法，包括以下步骤:将草酸锂、草酸亚铁和磷酸二氢铵按化学计量比混合，再向混合物中加入混合物质量15%的纳米级鳞片石墨(其平均粒度约为lOOnm)，加入乙醇作为分散剂，加入脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵作为发泡剂,对混合原料进行高能球磨，高能球磨过程中，球磨撞击方式为切线式摩擦碰撞,切线式摩擦碰撞通过调整球磨机的研磨公转盘和支撑自转盘的旋转速率比进行控制(支撑自转盘的自转速率与研磨公转盘的公转速率比控制为I号1:1，2、3、4号为5:1，5号为10:1)，高能球磨机为可变速率比的行星式球磨机，高能球磨的时间为5小时，经高能球磨后得到磷酸铁锂-石墨烯前驱体，然后将所得磷酸铁锂-石墨烯前驱体在含5%氢气的氩氢混合气氛中加热到650°C，分别保温3、6、12、18、24小时，得到磷酸铁锂基复合正极材料。
[0029]经检测，所得磷酸铁锂基复合正极材料中，磷酸铁锂颗粒均匀分布在超薄石墨烯层中，无明显石墨颗粒存在(参见图1);将所得复合正极材料产物组装成2025扣式电池，在
2.5~4.1V电压范围内测试其充放电容量和倍率性能，结果如图2和下表1所示。由下表I可见，本实施例中所得产品的放电容量高，基本大于167mAh.g—1，倍率性能好，IOC容量保持率大于85%，2C倍率循环1000次保持率大于95%。
[0030]表1:实施例1的实验条件与测试结果
[0031]
【权利要求】
1.一种磷酸铁锂基复合正极材料，所述复合正极材料主要由磷酸铁锂和石墨烯组成，其特征在于:所述石墨烯均匀分散在磷酸铁锂中，且石墨烯形成的薄膜均匀包裹着磷酸铁锂纳米晶体，所述磷酸铁锂由其前驱体转化得到，所述磷酸铁锂纳米晶体的前驱体和石墨烯是经一次反应同时合成。
2.一种如权利要求1所述的磷酸铁锂基复合正极材料的制备方法，包括以下步骤:将锂源、铁源和磷酸盐按化学计量比混合，再向混合物中加入纳米级鳞片石墨、分散剂和发泡剂，经高能球磨后得到磷酸铁锂-石墨烯前驱体，然后将所得磷酸铁锂-石墨烯前驱体在非氧化性气氛中加热到500°C~750°C，保温3~24小时，即得到磷酸铁锂基复合正极材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:所述高能球磨过程中，球磨撞击方式为切线式摩擦碰撞。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:所述切线式摩擦碰撞是通过调整球磨机的研磨公转盘和支撑自转盘的旋转速率比进行控制；所述支撑自转盘的自转速率与研磨公转盘的公转速率比控制在1:1~10:1。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于:所述球磨机为可变速率比的行星式球磨机，所述高能球磨的时间为0.5~15小时。
6.根据权利要求2~5中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述锂源为草酸锂，所述铁源为草酸亚铁，所述磷酸盐为磷酸二氢铵。
7.根据权利要求2~5中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述纳米级鳞片石墨为粒度在500纳米以下的鳞片石墨，其用量为磷酸铁锂质量的0.5%~15%。
8.根据权利要求2~5中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述分散剂为蒸馏水、乙醇、乙二醇、丙酮中的一种或多种；所述发泡剂为十二烷基硫酸铵、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、松香皂、氯氟甲烷、石油醚中的一种或多种。
9.根据权利要求2~5中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述非氧化性气氛为IS气、氮气或IS氢混合气。
10.一种如权利要求1所述的磷酸铁锂基复合正极材料作为锂电池正极材料的应用，其特征在于:所述含磷酸铁锂基复合正极材料的锂电池在2C倍率下首次放电比容量可达163mAh g—1以上，2C倍率下1000次循环后的电池比容量保持率大于95%。
【文档编号】H01M4/62GK103943864SQ201410150685
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】李新海, 王接喜, 王志兴, 郭华军, 陈鑫, 彭文杰, 胡启阳 申请人:中南大学