双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供磷酸铁前驱体溶液；向所述磷酸铁前驱体溶液中加入阳离子表面活性剂得到第一混合溶液并进行反应，得到初次碳包覆的磷酸铁颗粒；混合所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒与锂源以及有机碳源得到混合物并进行反应，得到表面形成有所述有机碳源的磷酸铁锂中间体；以及对所述磷酸铁锂中间体进行热处理，从而得到所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。本发明专利技术制备方法不需要使用硬模板，降低了材料制备的成本和复杂性，且材料均一性好、成本低以及适于大规模生产。本发明专利技术还提供一种由上述制备方法制备的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。

Double-layer carbon-coated lithium iron phosphate composites and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料及其制备方法
本专利技术涉及储能电池领域，尤其涉及一种双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料及其制备方法。
技术介绍
磷酸铁锂由于成本低、环境友好、热稳定性好等优点，在未来的大规模产业化应用上占有很大的优势，尤其是在大电池上的应用，被认为是最具潜力的下一代锂电正极材料之一。然而，目前磷酸铁锂存在电导率较低等问题，这严重阻碍了磷酸铁锂的产业化进程。现有技术中，对磷酸铁锂颗粒进行碳包覆能够显著提高电池倍率性能。然而，磷酸铁锂颗粒碳包覆过程需要加入大量的导电碳才能形成完整的碳包覆结构，若导电碳添加量不够，容易造成局部包覆，不利于提高磷酸铁锂颗粒的导电性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种具有较高导电性的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法。另，还有必要提供一种由上述制备方法制得的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。本专利技术提供一种双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供磷酸铁前驱体溶液；向所述磷酸铁前驱体溶液中加入阳离子表面活性剂得到第一混合溶液并进行反应，得到初次碳包覆的磷酸铁颗粒；混合所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒与锂源以及有机碳源得到混合物并进行反应，得到表面形成有所述有机碳源的磷酸铁锂中间体；以及对所述磷酸铁锂中间体进行热处理，从而得到所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。本专利技术还提供一种所述的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法制得的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料，包括磷酸铁锂颗粒以及包覆于所述磷酸铁锂颗粒表面的第一碳包覆层以及第二碳包覆层。本专利技术的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料具有网状结构，能够提高碳与磷酸铁锂的接触范围，增加电子导电通道，提高导电性，而且网状结构具备的孔洞能够增加活性材料和电解液的接触浸润，有利于锂离子的快速的嵌入与脱出。本专利技术使用廉价易得的原料，利用阳离子表面活性剂和有机碳源共同作为碳源对磷酸铁锂进行双层包覆，制备出纳米级别且粒度分布均匀的球形双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。本专利技术制备方法不需要使用硬模板(为无模板法)，降低了材料制备的成本和复杂性，且材料均一性好、成本低适于大规模生产。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术具体实施方式的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法流程图。图2是本专利技术实施例1制备的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的X射线衍射图。图3是本专利技术实施例1制备的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的扫描电镜图。图4是本专利技术实施例2制备的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的扫描电镜图。图5是本专利技术实施例3制备的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的扫描电镜图。图6是本专利技术实施例1制备的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料制备的电池在不同倍率下的充放电曲线。图7是本专利技术实施例1制备的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料制备的电池在高倍率下的循环曲线。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术实施例，所描述的实施方式仅是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，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方式，都属于本专利技术实施例保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术实施例的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术实施例。请参阅图1，本专利技术实施方式提供一种双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤101：提供磷酸铁前驱体溶液。在本实施方式中，所述磷酸铁前驱体溶液的制备包括：混合氯化铁晶体(FeCl3·6H2O)和磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)水溶液得到第二混合溶液；以及加热并搅拌所述第二混合溶液，并向所述第二混合溶液中加入氨水，从而得到所述磷酸铁前驱体溶液。其中，氯化铁晶体与磷酸氢二铵的摩尔比为1:1。在本实施方式中，加入氨水为了调节所述第二混合溶液的pH，其中可以将所述第二混合溶液的pH调节到1.5。在本实施方式中，所述搅拌方式为机械搅拌，所述搅拌的速度为600r/min。在所述转速和pH条件下，更易制备得到所述磷酸铁前驱体溶液。在本实施方式中，所述加热方式为水浴加热，所述加热温度为40℃。步骤102：向所述磷酸铁前驱体溶液中加入阳离子表面活性剂得到第一混合溶液并进行反应，得到初次碳包覆的磷酸铁颗粒。在本实施方式中，所述阳离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和十六烷基三甲基氯化铵中的一种或两种。其中，所述阳离子表面活性剂包括CTAB，在所述第一混合溶液中，所述阳离子表面活性剂的重量分数为8％～13％。其中，反应后所述CTAB形成初次碳包覆层。经实验证实，在所述第一混合溶液中，所述阳离子表面活性剂的重量分数为10％时，能够达到很好的分散效果，同时作为第一层碳包覆与磷酸铁锂形成核壳结构，更易制备得到所需要的产品。其中，所述第一混合溶液的反应时间为1.8～3h。步骤103：混合所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒与锂源以及有机碳源得到混合物并进行反应，得到表面形成有所述有机碳源的磷酸铁锂中间体。在所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒与锂源以及有机碳源进行混合前，需要过滤洗涤所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒。进一步地，在酒精溶液中将所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒与锂源以及有机碳源进行混合。其中，所述锂源包括碳酸锂，所述有机碳源包括淀粉或具有多吡啶环结构的有机碳源。在本实施方式中，所述有机碳源包括淀粉。其中，所述淀粉在所述混合物中的质量百分比为10％～15％。其中，当淀粉在所述混合物中的质量百分比为10％～15％时，可以形成网状结构的第二碳包覆层。在其他实施方式中，所述有机碳源包括多吡啶环结构，所述混合物的反应温度大于600℃。其中，在600℃以上，吡啶环会发生分解变成大配位的芳香族结构，有利于碳的石墨化，从而形成均匀的包覆层。步骤104：对所述磷酸铁锂中间体进行热处理，从而得到所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。其中，在所述热处理之前还可包括对所述磷酸铁锂中间体进行干燥。其中，所述干燥的方式为在鼓风干燥箱内干燥，所述干燥温度为88～92℃，所述干燥时间为23～24h。其中，所述热处理温度为648～655℃，所述热处理的时间为14～16h。本专利技术实施方式中还提供一种由上述方法制得的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料为核壳结构，包括磷酸铁锂颗粒以及包覆于所述磷酸铁锂颗粒表面的第一碳包覆层以及第二碳包覆层。在本实施方式中，所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料为球形，所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的粒径为50～160nm。在本实施方式中，当所述第二碳包覆层由淀粉经热处理而形成时，所述第二碳包覆层具有网状结构。具体地，所述第二碳包覆层包括相互交联的纳米碳片，所述纳米碳片的厚度小于5nm。由于所述第二碳包覆层具有网状结构，使得所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料具有孔结构，从而获得较高的比表面积。所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料具有较好的高倍率性能和循环性能。本专利技术的双层碳包覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供磷酸铁前驱体溶液；向所述磷酸铁前驱体溶液中加入阳离子表面活性剂得到第一混合溶液并进行反应，得到初次碳包覆的磷酸铁颗粒；混合所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒与锂源以及有机碳源得到混合物并进行反应，得到表面形成有所述有机碳源的磷酸铁锂中间体；以及对所述磷酸铁锂中间体进行热处理，从而得到所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供磷酸铁前驱体溶液；向所述磷酸铁前驱体溶液中加入阳离子表面活性剂得到第一混合溶液并进行反应，得到初次碳包覆的磷酸铁颗粒；混合所述初次碳包覆的磷酸铁颗粒与锂源以及有机碳源得到混合物并进行反应，得到表面形成有所述有机碳源的磷酸铁锂中间体；以及对所述磷酸铁锂中间体进行热处理，从而得到所述双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料。2.如权利要求1所述的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机碳源包括淀粉，所述淀粉在所述混合物中的质量百分比为10％～15％。3.如权利要求1所述的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机碳源包括多吡啶环结构。4.如权利要求1所述的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，所述阳离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基三甲基氯化铵中的一种或两种，在所述第一混合溶液中，所述阳离子表面活性剂的重量分数为8％～13％。5.如权利要求1所述的双层碳包覆的磷酸铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，所述磷酸铁前驱体溶液的制备包括：混合氯化铁晶体和磷酸氢二铵水溶液得到第二混合溶液；...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈掀，姚晏龙，李宝华，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44