一种复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合磷酸铁锂正极材料，在磷酸铁锂材料表面修饰掺氮碳，其分子式表示为LiFePO4/NC；本发明专利技术还公开了一种复合磷酸铁锂正极材料的制备方法，将LiFePO4固体，加入到稀盐酸中超声分散，而后用超纯水清洗多次；向经过超声分散的LiFePO4水溶液中加入间苯二酚、半胱氨酸、乙醇和氨水；加入甲醛溶液，将沉淀用去离子水和乙醇清洗，然后干燥；在500～800℃氮气保护下煅烧3～10小时，得到最终氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料成品；本发明专利技术方法简单易行、节约成品；掺氮碳的引入能够极大的增加磷酸铁锂正极材料在使用过程中的稳定性，解决导电率低的问题，以满足目前电动汽车及能源方向对锂离子电池的性能需求。

【技术实现步骤摘要】
一种复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池正极制备
，具体涉及一种氮掺杂碳层修饰磷酸铁锂正极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池由于其优异的能量密度兼具良好的倍率性能及循环寿命，被广泛应用到日常生活的电子设备中。而作为锂离子电池的重要组成部分，正极材料的研发很大程度上决定了锂离子电池的性能。因此，开发具有高比容量、良好循环性能和高安全性的锂离子电池正极材料是目前锂离子电池研究的重点。锂离子正极材料多采用嵌锂过渡金属氧化物，其中橄榄石型磷酸铁锂材料相较于其他同类正极材料，在安全性和循环寿命等方面具有较大优势。但是纯磷酸铁锂材料的电子导电率及Li+扩散系数较差，严重影响了其电化学性能，限制了其进一步的应用。当前主要通过磷酸铁锂材料的纳米化制备、阳离子掺杂和碳复合来提升其电化学性能。其中，碳复合是最有效的手段。因为碳复合不仅能够提高磷酸铁锂材料的导电性，还能够避免在循环过程中磷酸铁锂材料的团聚。更重要的是，通过碳材料复合，能够磷酸铁锂材料在使用过程中锂离子脱嵌更加容易。而且研究表明碳材料掺杂氮元素能够明显提高电化学反应的活性位点同时能够突破离子迁移的能量壁垒，有效提高材料的电性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了改善磷酸铁锂材料在使用过程中导电性差且易团聚的问题，设计一种复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法。即通过以间苯二酚和甲醛作为碳源，半胱氨酸作为氮源，对磷酸铁锂材料进行改性修饰。该方法简单易行、节约成品；掺氮碳的引入能够极大的增加磷酸铁锂正极材料在使用过程中的稳定性，解决导电率低的问题，用以满足目前电动汽车及能源方向对锂离子电池的性能需求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法，通过包覆手段，在磷酸铁锂材料表面修饰掺氮碳，其分子式表示为LiFePO4/NC。本专利技术还公开了一种复合磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将LiFePO4固体，加入到稀盐酸中超声分散，而后用超纯水清洗多次；（2）向经过超声分散的LiFePO4水溶液中加入间苯二酚、半胱氨酸、乙醇、氨水，升温至25～60℃，搅拌8～12小时；（3）加入甲醛溶液，保持温度继续搅拌6～20小时后，将沉淀用去离子水和乙醇清洗，然后干燥；（4）将步骤（3）所得物料在500～800℃氮气保护下煅烧3～10小时，得到最终氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料成品。所述的步骤（1）中的稀盐酸的浓度为0.01mol/L。所述的步骤（2）中超声分散时的蒸馏水和乙醇的体积比为2：1，间苯二酚与半胱氨酸质量比为2：1；将反应物置于水浴锅中进行温度调整。所述的步骤（2）和步骤（3）中的搅拌方式为磁力搅拌。所述的步骤（3）包括以下步骤：（31）将步骤（2）所得的反应溶液加入甲醛溶液，保持温度继续搅拌6～20小时，反应结束后，将沉淀自然冷却至室温；（32）而后将沉淀用去离子水和乙醇多次清洗、离心；（33）将所得物料置于真空干燥箱内，60℃真空干燥24小时。所述的步骤（4）包括以下步骤：（41）先将步骤（3）所得的物料进行研磨；（42）而后转移到瓷舟中，置入管式炉中，先通氮气半小时后，在氮气保护下以5℃/min速率升温至500～800℃对物料进行煅烧，保持3～10小时；（43）煅烧完成后，在氮气保护条件下冷却到室温，将所得物料再次研磨，得到氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料成品。本专利技术的有益效果是：本专利技术的制备方法与现有磷酸铁锂正极材料的制备工艺相比，操作简单，可实施性强，重复性良好。对磷酸铁锂材料复合的掺氮碳层为无定形碳材料，氮掺杂碳材料的引入，不仅可以有效降低电解液对磷酸铁锂正极材料的溶解，提高磷酸铁锂材料在循环过程中稳定性，还能够有效的加快磷酸铁锂材料的电子传导速率，降低离子迁移距离，提高了正极材料的倍率性能并降低了材料内阻。同时碳材料掺杂氮元素能够明显提高电化学反应的活性位点同时能够降低离子迁移的能量壁垒，进一步提高材料的电性能。本专利技术所制备的高性能锂离子电池正极材料有望广泛应用于汽车动力电池领域。附图说明图1氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料的X射线衍射谱图。图2氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料的扫描电镜与透射电镜照片。图3氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料的能谱分析图。图4氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料1C充放电曲线图。图5氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料倍率性能曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术公开了一种复合磷酸铁锂正极材料，通过包覆手段，在磷酸铁锂材料表面修饰掺氮碳，其分子式表示为LiFePO4/NC。本专利技术还公开了一种复合磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将LiFePO4固体加入到浓度为0.01mol/L的稀盐酸溶液中，通过超声处理使材料均匀的分散；而后，通过离心，用超纯水清洗多次，直至溶液呈中性，通过稀盐酸修饰，使磷酸铁锂颗粒表面增加活性官能团，并将离心所得物料分散到50mL超纯水中。（2）向经过超声分散的LiFePO4水溶液中加入无水乙醇（超声分散在水溶液中进行），在磁力搅拌下，加入间苯二酚、半胱氨酸和氨水，将烧杯置于水浴锅中，调整水浴温度，升温至25～60℃，磁力搅拌8～12小时。（3）将步骤（2）所得的反应溶液加入甲醛溶液，保持温度继续磁力搅拌6～20小时，反应结束后，将沉淀自然冷却至室温；收集黑色沉淀，而后用去离子水和无水乙醇多次清洗、离心；将所得物料置于真空干燥箱内，60℃真空干燥24小时。（4）先将步骤（3）所得的物料进行研磨；而后转移到瓷舟中，置入管式炉中，先通氮气半小时后，在氮气保护下以5℃/min速率升温至500～800℃对物料进行煅烧，保持3～10小时；煅烧完成后，在氮气保护条件下冷却到室温，将所得物料再次研磨，得到氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料成品。所述的步骤（2）中的氨水和乙醇的体积比为2：1，间苯二酚与半胱氨酸质量比为2：1；加入的间苯二酚，作为氮掺杂碳的碳源，加入的半胱氨酸，作为氮掺杂碳的氮源，将反应物置于水浴锅中进行温度调整。所述的步骤（3）中加入的甲醛也作为氮掺杂碳的碳源。通过本专利技术公开的制备方法所得氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料的X射线衍射图、扫描电镜与透射电镜照片如图1、图2显示。从XRD谱图中可以看出所得样品为单一均相橄榄石结构LiFePO4（JCPDsNo.83-2092）。并且在XRD谱图中没有出现其他杂峰，说明氮掺杂碳为无定形结构。从图2可看出，制备的材料绝大部分为球型材料，微粒的粒径分布范围较广，通过氮掺杂碳修饰，复合物的外表面显得非常光滑。从图3，EDS图谱可以看出Fe、O、C、P、N元素的存在，说明N元素通过该合成方法能够通过掺杂进入碳层。将所得氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料分别通过XRD、SEM和EDS进行分析，并与锂片组装成半电池对材料的电化学性能进行测试与分析。具体步骤为将合成的氮掺杂碳复合磷酸铁锂材料作为测试电池的正极活性活性物质，以SP作为导电剂，PVDF作为粘接剂，按照8:1:1比例均匀混合后，制成正极片；以金属锂片作为负极片，隔膜为Celgard2400聚丙烯微孔膜，电解液为1mol/LiPF6/（EC+DME）（体积比为1：1）。在惰性气体手套箱内组装程CR2025型扣式电池，采用LandCT2001进行电性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合磷酸铁锂正极材料，其特征在于：通过包覆手段，在磷酸铁锂材料表面修饰掺氮碳，其分子式表示为LiFePO4/NC。

【技术特征摘要】
1.一种复合磷酸铁锂正极材料，其特征在于：通过包覆手段，在磷酸铁锂材料表面修饰掺氮碳，其分子式表示为LiFePO4/NC。2.一种制备如权利要求1所述的复合磷酸铁锂正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将LiFePO4固体，加入到稀盐酸中超声分散，而后用超纯水清洗多次；（2）向经过超声分散的LiFePO4水溶液中加入间苯二酚、半胱氨酸、乙醇、氨水，升温至25～60℃，搅拌8～12小时；（3）加入甲醛溶液，保持温度继续搅拌6～20小时后，将沉淀用去离子水和乙醇清洗，然后干燥；（4）将步骤（3）所得物料在500～800℃氮气保护下煅烧3～10小时，得到最终氮掺杂碳复合磷酸铁锂正极材料成品。3.根据权利要求2所述的一种复合磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的稀盐酸的浓度为0.01mol/L。4.根据权利要求2所述的一种复合磷酸铁锂正极材料及其制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中超声分散时的蒸馏水和乙醇的体积比为2：1，间苯二酚与半胱氨酸质量比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，张祥功，周思思，吴军，代化，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42