一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法。

背景技术：

由于石油资源日益枯竭，环境污染严重，控制二氧化碳排放量的要求越来越高，寻求新能源替代化石燃料应用于汽车引起了广泛的关注，比如采用高能量密度锂离子电池的混合动力电动汽车和纯电动汽车被认为是替代化石燃料汽车的合适替代品。正极材料更多的追求是高比容量和优异的倍率性能，而磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池在应用于高功率的电动工具、混合动力和纯电动汽车具有优异的安全性能、高容量（170mahg^-1），因此被认为具有发展前景的正极材料。然而低导电率(10^-9scm^-1)和锂离子扩散速率(10^-15–10^-12cm²s^-1)严重阻碍了磷酸铁锂的发展。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的平面二维材料，具有优异的物理化学性能，研究发现磷酸铁锂与石墨烯形成的复合正极材料，极大提高了电极材料的电导率，而多孔结构的石墨烯与磷酸铁锂复合，不仅能够提高材料电导率也能够满足锂离子快速迁移的需要，因此多孔石墨烯/磷酸铁锂复合材料作为锂离子正极材料对提高电池的循环稳定性及倍率性有十分重要的作用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，制备得到的多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料具有优异的倍率性能，且放电比容量高。

本发明的技术方案为：

一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

（1）、将一定量的鳞片石墨经hummers法氧化后，加入适量的氢氧化钾溶液再烘干进行研磨后，放入到高温管式炉中膨胀处理，再经洗涤后，加入适量的聚乙烯吡咯烷酮溶液超声剥离，制得多孔石墨烯溶液；

（2）、将步骤（1）制得的多孔石墨烯溶液与适量的葡萄糖、碳酸锂、磷酸铁充分混合研磨、再烘干，得到粉末物，最后粉末物在惰性气氛下升温烧结，即得多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料。

所述的氢氧化钾溶液的浓度为0.1-1mol/l；所述的高温管式炉中的温度设定为700-1000℃；所述的聚乙烯吡咯烷酮溶液的浓度为0.01-1mol/l。

所述的葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为1-10%，所述的碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为5-20%，所述的磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为10-50%。

所述的在惰性气氛下升温烧结的参数是：升温速率2-10^oc/min，烧结温度在500-1000^oc，烧结时间2-15小时；所述的惰性气氛为氮气、氦气、氩气中的至少一种。

所述的氢氧化钾溶液的浓度为0.1mol/l；所述的高温管式炉中的温度设定为700℃；所述的聚乙烯吡咯烷酮溶液的浓度为0.1mol/l。

所述的葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为2.3%，所述的碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为5%，所述的磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为20%。

所述的在惰性气氛下升温烧结的参数是：升温速率5^oc/min，烧结温度在700^oc，烧结时间12小时。

本发明的优点：

本发明操作简单，易于工业化生产，将本发明制备的成型材料作为正极材料直接应用于锂离子电池，3c放电比容量高，且具有优异的倍率性能。

附图说明

图1是本发明实施例2中鳞片石墨经hummers法氧化后的tem图;

图2是本发明实施例2制备得到的多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料在1μm标尺下的sem图;

图3是本发明实施例2制备得到的多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料在200nm标尺下的sem图;

图4是本发明实施例2制备得到的多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的倍率性能图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

（1）、将0.25kg的鳞片石墨经hummers法氧化后，加入适量0.5mol/l的氢氧化钾溶液再烘干进行研磨后，放入到1000℃的高温管式炉中膨胀处理，再经去离子水洗涤后，加入适量0.05mol/l的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液超声剥离，制得多孔石墨烯溶液；

（2）、将步骤（1）制得的多孔石墨烯溶液与适量的葡萄糖、碳酸锂、磷酸铁充分混合研磨、再烘干，得到粉末物，最后粉末物在700℃氮气氛围下升温烧结，其中升温速率为5℃/min，烧结12h，得到多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料；其中，葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为2.3%，碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为5%，磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为20%。

实施例1制得的多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料在1c、2c、3c倍率下放电容量分别是155mah/g、150mah/g、145.2mah/g。

实施例2

一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

（1）、将0.25kg的鳞片石墨经hummers法氧化后，加入适量0.1mol/l的氢氧化钾溶液再烘干进行研磨后，放入到800℃的高温管式炉中膨胀处理，再经去离子水洗涤后，加入适量0.1mol/l的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液超声剥离，制得多孔石墨烯溶液；

（2）、将步骤（1）制得的多孔石墨烯溶液与适量的葡萄糖、碳酸锂、磷酸铁充分混合研磨、再烘干，得到粉末物，最后粉末物在700℃氮气氛围下升温烧结，其中升温速率为5℃/min，烧结12h，得到多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料；其中，葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为2.3%，碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为5%，磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为20%。

将实施例2制备的多孔石墨烯溶液进行tem表征（见图1），多孔石墨烯/磷酸铁锂锂离子正极材料进行sem表征（见图2和图3）和倍率性能表征（见图4）。实施例2制备得到的制备得到的多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料在1c、2c、3c倍率下放电容量分别是159.2mah/g、154.7mah/g、150mah/g，1c倍率下充电、3c倍率下放电、100个循环之后的放电比容量是145.8mah/g。

实施例3

一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

（1）、将0.25kg的鳞片石墨经hummers法氧化后，加入适量0.1mol/l的氢氧化钾溶液再烘干进行研磨后，放入到1000℃的高温管式炉中膨胀处理，再经去离子水洗涤后，加入适量0.1mol/l的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液超声剥离，制得多孔石墨烯溶液；

（2）、将步骤（1）制得的多孔石墨烯溶液与适量的葡萄糖、碳酸锂、磷酸铁充分混合研磨、再烘干，得到粉末物，最后粉末物在900℃氮气氛围下升温烧结，其中升温速率为5℃/min，烧结12h，得到多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料；其中，葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为2.3%，碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为5%，磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为20%。

实施例3制得的多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料在1c、2c、3c倍率下放电容量分别是140mah/g、135.4mah/g、116.2mah/g。

实施例4

一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

（1）、将0.25kg的鳞片石墨经hummers法氧化后，加入适量0.1mol/l的氢氧化钾溶液再烘干进行研磨后，放入到800℃的高温管式炉中膨胀处理，再经去离子水洗涤后，加入适量0.1mol/l的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液超声剥离，制得多孔石墨烯溶液；

（2）、将步骤（1）制得的多孔石墨烯溶液与适量的葡萄糖、碳酸锂、磷酸铁充分混合研磨、再烘干，得到粉末物，最后粉末物在700℃氮气氛围下升温烧结，其中升温速率为5℃/min，烧结12h，得到多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料；其中，葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为5%，碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为15%，磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为35%。

实施例4制得的多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料在1c、2c、3c倍率下放电容量分别是110.3mah/g、101.4mah/g、87.9mah/g。

实施例5

一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

（1）、将0.25kg的鳞片石墨经hummers法氧化后，加入适量0.1mol/l的氢氧化钾溶液再烘干进行研磨后，放入到800℃的高温管式炉中膨胀处理，再经去离子水洗涤后，加入适量0.1mol/l的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液超声剥离，制得多孔石墨烯溶液；

（2）、将步骤（1）制得的多孔石墨烯溶液与适量的葡萄糖、碳酸锂、磷酸铁充分混合研磨、再烘干，得到粉末物，最后粉末物在700℃氮气氛围下升温烧结，其中升温速率为5℃/min，烧结4h，得到多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料；其中，葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为2.3%，碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为5%，磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为20%。

实施例5制得的多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料在1c、2c、3c倍率下放电容量分别是100.6mah/g、85.1mah/g、60mah/g。

实施例6

一种多孔石墨烯-磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

（1）、将0.25kg的鳞片石墨经hummers法氧化后，加入适量0.1mol/l的氢氧化钾溶液再烘干进行研磨后，放入到800℃的高温管式炉中膨胀处理，再经去离子水洗涤后，加入适量0.1mol/l的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液超声剥离，制得多孔石墨烯溶液；

（2）、将步骤（1）制得的多孔石墨烯溶液与适量的葡萄糖、碳酸锂、磷酸铁充分混合研磨、再烘干，得到粉末物，最后粉末物在700℃氮气氛围下升温烧结，其中升温速率为10℃/min，烧结4h，得到多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料；其中，葡萄糖占多孔石墨烯溶液的质量分数为2.3%，碳酸锂占多孔石墨烯溶液的质量分数为5%，磷酸铁占多孔石墨烯溶液的质量分数为20%。

实施例5制得的多孔石墨烯/磷酸铁锂正极材料在1c、2c、3c倍率下放电容量分别是105.6mah/g、80.4mah/g、57.9mah/g。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。