一种生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种正极材料及其制备方法，尤其涉及一种生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池领域中，lifepo4正极材料具有循环性能好、稳定性高、理论比容量大、安全环保、成本低廉等优点。但是，lifepo4正极材料也存在仅可接受65％的镍氢电池重量的低功率重量密度、低电导率(约10-9s/cm)和锂离子扩散系数低(10-14至10-16cm2/s-1)的问题，限制了其电化学性能。

2、现有技术为了解决上述问题，通过引入有机物(如蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、乙二醇等)作为碳源制备碳包覆磷酸铁锂材料，但这些碳源无法起到良好的分散作用，同时还伴随碳层的厚度和包覆效果往往得不到有效的控制导致团聚现象明显，进而导致碳包覆磷酸铁锂材料的电导率提升较小，无法满足动力电池的需求。

3、中国专利cn112615005a中公开了利用甘蔗渣作为生物质包覆碳源合成磷酸铁锂正极材料的方法，通过对废弃物甘蔗渣进行特殊的工艺处理后，结合碳热还原过程制备生物质碳包覆的lifepo4/c正极复合材料，可以有效提高该材料的循环和倍率性能。虽然不同的生物质原料中均含有碳，但不同生物质原料中的其他元素组成差异巨大，用于制备碳包覆材料时，生物质原料的组分和具体处理方法对终产物的电导率及bet表面积影响巨大，例如该专利制得的正极材料的电导率及bet表面积均较低。因此如何通过适当的生物质原料制备具有高电导率和高bet表面积的碳包覆磷酸铁锂材料成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提出一种生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，解决如何提升生物质碳包覆磷酸铁锂材料的电导率及bet表面积的问题。本发明的另一目的在于提供一种兼具高电导率和高bet表面积的生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料。

2、技术方案：本发明所述的一种生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，包含如下步骤：

3、(1)将植物叶片粉末或可溶性淀粉加热碳化后得到生物质纳米碳；

4、(2)将生物质纳米碳与磷酸铁锂粉末混合分散于醇类溶剂中得到混合溶液c；

5、(3)将混合溶液c在500-1000℃条件下反应后烘干得到生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料。

6、本发明以植物叶片粉末或可溶性淀粉为生物质碳源制得纳米级的碳微粒，利用纳米级碳微粒作为屏障，有效抑制了磷酸铁锂颗粒的生长，减少了磷酸铁锂颗粒的团聚，提高了碳包覆磷酸铁锂正极材料的导电率。

7、优选地，在步骤(1)中，植物叶片粉末加热碳化的方法为：将植物叶片粉末分散于水中进行超声洗涤，洗涤后取沉淀烘干研磨成粉得预处理叶片粉末，将预处理叶片粉末在惰性气体气氛中，加热至500-800℃，碳化2-5h，得到生物质纳米碳。

8、优选地，所述植物叶片包括大麻叶、海棠叶、枫树叶、梧桐树叶、栀子叶中的一种或多种；所述植物叶片粉末与水的料液比为5-10g：10-50ml；所述洗涤后取沉淀烘干的条件为：60-120℃烘干24-48h。

9、优选地，所述植物叶片粉末超声洗涤的时间为30-60min，超声功率为300-800w；所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或氩气与氢气的混合气体中的一种或多种。

10、优选地，在步骤(2)中，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的一种或多种；所述生物质纳米碳与醇类溶剂的料液比为5 -10g：20-50ml，所述磷酸铁锂粉末与醇类溶剂的料液比为10-20g：100 -200ml。

11、优选地，所述磷酸铁锂粉末按如下步骤制得：

12、(11)将磷酸铁、碳酸锂和纯水混合搅拌得到混合溶液b；

13、(12)将混合溶液b在700-900℃下反应15 -30h；

14、(13)将所得产物烘干后研磨成粉末得到磷酸铁锂粉末。

15、优选地，在步骤(11)中，所述磷酸铁与纯水的料液比为10-20g：60-125ml，所述碳酸锂与纯水的料液比为10-20g：60-125ml；在步骤(13)中，产物烘干的条件为200-300℃烘干12-24h。

16、优选地，在步骤(3)中，混合溶液c的反应条件为700-900℃反应6-12h。

17、优选地，在步骤(3)中，混合溶液c反应后烘干的条件为200-300℃烘干12-24h。

18、本发明采用上述制备方法制得了一种生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料，电导率可达10-4.3s cm-1，bet表面积可达25.6m2 g-1。

19、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明可以显著提升正极材料的bet表面积和电导率，有效控制碳层的厚度和包覆效果，减少碳源导致的团聚现象。本发明首次利用生物质纳米碳高分散性和高导电性，制备出一种兼具高电导率和高bet表面积的高性能磷酸铁锂正极材料，此外该材料还具有较快的锂离子的迁移速率、可控性高及对环境无污染等优点。

技术特征：

1.一种生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

2.根据权利要求1所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，植物叶片粉末加热碳化的方法为：将植物叶片粉末分散于水中进行超声洗涤，洗涤后取沉淀烘干研磨成粉得预处理叶片粉末，将预处理叶片粉末在惰性气体气氛中，加热至500-800℃，碳化2-5h，得到生物质纳米碳。

3.根据权利要求2所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述植物叶片包括大麻叶、海棠叶、枫树叶、梧桐树叶、栀子叶中的一种或多种；所述植物叶片粉末与水的料液比为5-10g：10-50ml；所述洗涤后取沉淀烘干的条件为：60-120℃烘干24-48h。

4.根据权利要求2所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述植物叶片粉末超声洗涤的时间为30-60min，超声功率为300-800w；所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或氩气与氢气的混合气体中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的一种或多种；所述生物质纳米碳与醇类溶剂的料液比为5-10g：20-50ml，所述磷酸铁锂粉末与醇类溶剂的料液比为10-20g：100-200ml。

6.根据权利要求1所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述磷酸铁锂粉末按如下步骤制得：

7.根据权利要求6所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(11)中，所述磷酸铁与纯水的料液比为10-20g：60-125ml，所述碳酸锂与纯水的料液比为10-20g：60-125ml；在步骤(13)中，产物烘干的条件为200-300℃烘干12-24h。

8.根据权利要求1所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，混合溶液c的反应条件为700-900℃反应6-12h。

9.根据权利要求1所述生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，混合溶液c反应后烘干的条件为200-300℃烘干12-24h。

10.如权利要求1-9任一项所述制备方法制得的生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料。

技术总结
本发明公开了一种生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料及其制备方法，制备方法包含如下步骤：将植物叶片粉末或可溶性淀粉加热碳化后得到生物质纳米碳；将生物质纳米碳与磷酸铁锂粉末混合分散于醇类溶剂中得到混合溶液C；将混合溶液C在500‑1000℃条件下反应后烘干得到生物质纳米碳包覆磷酸铁锂正极材料。本发明能够有效控制碳层的厚度和包覆效果，减少碳源导致的团聚现象，制备工艺简单易操作，成本低；本发明制备的生物质纳米碳包覆的磷酸铁锂正极材料具有电导率较高、BET比表面积高，锂离子的迁移速率较快、可控性高及对环境无污染等优点。

技术研发人员：孙贝贝,张泽彤,史莹飞,石俊峰
受保护的技术使用者：江苏贝特瑞纳米科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10