CN106252635A - 一种石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料及制备方法，涉及电池技术领域。本发明石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料为氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料，制备方法为：制备氧化石墨烯与氮源掺杂剂混合物A；制备锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液，并混合物A混合，经干燥得到氮掺杂石墨烯包覆磷酸铁锂前驱体；将前驱体预热后在惰性气氛中烧结，得到氮掺杂石墨烯包覆磷酸铁锂正极材料。本发明制备的产物中氮掺杂石墨烯均匀包覆磷酸铁锂表面，为磷酸铁锂提供良好导电通道，使得其表现出良好倍率性能。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料及制备方法。
背景技术
随着新能源汽车蓬勃发展，整车厂商对于下游电池企业的锂离子电池性能提出了更高要求。作为目前国内主流的动力锂离子电池正极材料——磷酸铁锂，由于其良好的安全性、高温性能已经广泛应用在纯电动公交等领域。磷酸铁锂正极材料相比于三元正极材料，其能量密度低、内阻大、倍率性能差、电子电导率低。改进磷酸铁锂正极材料的主要方法为包覆与掺杂。碳包覆是一种常见的包覆方法，主要用到的碳源包括柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、抗坏血酸等。
其中，作为碳素家族备受瞩目的石墨烯，因其具有优异的导电性能、机械性能、较高的比表面积，使得石墨烯在锂离子电池材料、超级电容材料等领域广泛应用。专利CN105552360A公布一种石墨烯包覆磷酸锰锂方法，该方法得到的石墨烯水溶性差，导致最终制得的材料电性能不高。
现有技术中石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料存在包覆均一性差，电性能不高的问题。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术不足，本发明提供一种石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料及制备方法，解决了现有技术石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料存在包覆均一性差，电性能不高的技术问题。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料，所述石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料为氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
一种如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用去离子水与氧化石墨烯混合制得氧化石墨烯分散液，将氧化石墨烯分散液与氮源混合，得到混合物A；
S2、采用去离子水与锂源、磷源和铁源混合制得锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液，再将制得的锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液依次加入混合物A中，充分搅拌得到混合物B；
S3、将混合物B干燥，得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体；
S4、将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体预热，再置于惰性气氛中烧结，以2~5℃/min的升温速率，升温到650~900℃，保温2~5h，冷却至室温，即得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
进一步优选地，所述氧化石墨烯与氮源的质量比为(1~1.1):100，所述氧化石墨烯与所述锂源、磷源和铁源的质量比均为(0.005~0.1):1。
进一步优选地，所述氧化石墨烯与所述锂源、磷源和铁源的质量比均为 (0.01~0.025):1。
进一步优选地，所述氮源为三聚氰胺、木质素磺酸钠、聚苯胺、氨基酸、聚吡咯、尿素、氨水、二氰二胺、中的一种或几种。
进一步优选地，所述锂源为磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸氢二锂、碳酸锂、甲酸锂、乙酸锂、柠檬酸锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、溴化锂、苯甲酸锂中的一种或几种。
进一步优选地，所述铁源为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、柠檬酸铁、四氧化三铁、三氧化二铁、氢氧化铁、碳酸铁、乙酸铁、磷酸铁中的一种或几种。
进一步优选地，所述磷源为磷酸二氢锂、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸铵、磷酸氢二铵、五氧化二磷、磷酸中的一种或几种。
进一步优选地，所述步骤S1中去离子水与氧化石墨烯采用超声加搅拌的方式混合，在温度为15~25℃下，分散10~30min得到氧化石墨烯分散液。
进一步优选地，所述步骤S2中锂源、磷源和铁源采用超声加搅拌的方式混合，在温度为15~25℃下，分散10~30min得到锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液。
进一步优选地，所述步骤S2为将制得的锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液依次加入混合物A中，在室温下，以转速为15~350r/min的搅拌速度搅拌0.4~4 h，得到混合物B。
进一步优选地，所述步骤S4中将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体在180~300℃温度下， 预热2~5h后将其放在坩埚内，再置于纯度为99.99%~99.9999%、气体流量为200~250mL/min的惰性气氛中烧结，以2~5℃/min的升温速率，升温到700~820 ℃，保温2~5 h，冷却至室温，即得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
进一步优选地，步骤S4中所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气中的一种或几种。
进一步优选地，步骤S2中所述锂源分散液浓度为0.01~2 mol/L，磷源分散液浓度为0.01~2 mol/L，铁源分散液浓度为0.01~2 mol/L。
（三）有益效果
本发明提供一种，与现有技术相比优点在于：
本发明石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料通过添加氮源，氮掺杂改性石墨烯，改变石墨烯的带隙宽度，将导电性能差的氧化石墨烯在氮源存在条件下改性为具有更优异电性能、良好稳定结构的氮掺杂石墨烯，进一步使得制备得到的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料具有良好的电性能；
本发明提供了一种氮掺杂石墨烯包覆的锂离子电池正极材料的制备方法，该方法借助于磷酸铁锂材料合成过程的惰性气氛，防止亚铁离子氧化为三价铁离子，过程简单、能耗低、包覆均一性良好，氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂材料电化学性能优异。该材料同时解决了传统磷酸铁锂电池正极配方中活性物质少、电池能量密度低的问题，不需要在电池正极中添加导电剂；
本发明打破了常规磷酸铁锂正极材料包覆方法，制备的氮掺杂石墨烯能够均匀包覆在磷酸铁锂表面，为磷酸铁锂提供良好导电通道，使得制得的材料1C放电容量达到143 mAh/g，5C放电容量为1C放电容量的69%，表现出良好倍率性能。
附图说明
图1为本发明实施例1氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂扫描电镜图。
图2为本发明对比例1碳包覆的磷酸铁锂扫描电镜图。
图3为本发明实施例1、对比例1、对比例2制得的材料的倍率性能测试图谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例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作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：
本实施例氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取5 mg/mL 的氧化石墨烯水溶液33 mL，用水稀释到100 mL，超声分散10 min，再加入15 g 尿素超声30min，得到氧化石墨烯-尿素混合物A；
S2、将0.012 mol硝酸锂、0.024 mol 磷酸二氢铵、0.024 mol 硝酸铁分别加入80 mL、30 ml、60 ml去离子水中混合得到硝酸锂分散液、磷酸二氢铵分散液和硝酸铁分散液，再将硝酸锂分散液、磷酸二氢铵分散液和硝酸铁分散液依次、缓慢加入混合物A中，每次加入都以50r/min的转速搅拌0.5h，得到混合物B；
S3、将混合物B在80 ℃条件下干燥24h，制备得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体；
S4、将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体在250 ℃条件下预热4h后将其放在坩埚内，再置于纯度为99.999%、气体流量为220mL/min的氩气保护气氛中烧结，以3 ℃/min的升温速率，升温到700 ℃，保温3h，冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
将本实施例制得的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁正极材料进行扫描电镜分析，如图1所示，分析结果表明氮掺杂石墨烯包覆磷酸铁锂具有良好形貌，氮掺杂石墨烯片均匀包覆在磷酸铁锂微粒表面，且石墨烯将不同磷酸铁锂微粒连接起来，为孤岛状磷酸铁锂粒子提供导电桥梁。
将上述制备的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁正极材料作为正极，在氩气保护的手套箱中制备为扣电，测试该正极材料倍率性能。1C放电容量为143 mAh/g，5C放电容量为1C的69%（电压窗口为2.0-4.2 V），测试曲线见附图3。
对比例1：
本对比例制备石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料，采用与实施例1相似的方法制备碳包覆磷酸铁锂正极材料，其制备方法与实施例1区别在于：步骤S1中没有加入尿素。
本对比例没有氮源对石墨烯进行掺杂，制备出的材料为石墨烯包覆磷酸铁锂。将其进行扫描电镜分析，如图2所示，分析结果表明石墨烯包覆磷酸铁锂材料不具备实施例1中良好形貌，氧化石墨烯片呈无序状分布在磷酸铁锂表面以及磷酸铁锂微粒之间，这将影响磷酸铁锂导电性，从而影响磷酸铁锂材料的电化学性能。
将上述制备的石墨烯包覆的磷酸铁正极材料作为正极，在氩气保护的手套箱中制备为扣电，测试该正极材料倍率性能。1C放电容量为128 mAh/g，5C放电容量为1C的60 %（电压窗口为2.0-4.2 V），测试曲线见附图3。
对比例2：
本对比例制备碳包覆的磷酸铁锂正极材料，采用与实施例1相似的方法制备碳包覆的磷酸铁锂正极材料，其制备方法与实施例1区别在于：步骤S1中氧化石墨烯溶液换为蔗糖溶液，且蔗糖质量为150 mg。
该方法制备出碳包覆磷酸铁正极材料作为正极，在氩气保护的手套箱中制备为扣电，测试该正极材料倍率性能。1C放电容量为125 mAh/g，5C放电容量为1C的20%（电压窗口为2.0-4.2 V），测试曲线见附图3。
实施例2：
本实施例氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取3 mg/mL 的氧化石墨烯水溶液50 mL，用水稀释到100 mL，超声分散分散10 min，再加入15 g 尿素超声30min，得到氧化石墨烯-尿素混合物A；
S2、将0.012 mol碳酸锂、0.024 mol 磷酸二氢铵、0.024 mol 氯化铁分别加入加入80mL、30 ml、60 ml去离子水中制得碳酸锂分散液、磷酸二氢铵分散液和氯化铁分散液，再将碳酸锂分散液、磷酸二氢铵分散液和氯化铁分散液依次、缓慢加入混合物A中，每次加入都以15r/min的转速搅拌0.4h，得到混合物B；
S3、将混合物B在60 ℃条件下干燥24h，制备得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体；
S4、将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体在180 ℃条件下预热2.5小时，再置于氦气保护气氛中烧结，气体流量为200 mL/min，以2 ℃/min的升温速率，升温到650 ℃，保温5h，冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
实施例3：
本实施例氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取10 mg/mL 的氧化石墨烯水溶液16 mL，用水稀释到100 mL，超声分散分散10min，再加入15 g 尿素超声30min，得到氧化石墨烯-尿素混合物A；
S2、将0.012 mol硫酸锂、0.024 mol 磷酸二氢铵、0.024 mol 硝酸铁分别加入加入80mL、30 ml、60 ml去离子水中制得硫酸锂分散液、磷酸二氢铵分散液和硝酸铁分散液，再将硫酸锂分散液、磷酸二氢铵分散液和硝酸铁分散液依次、缓慢加入混合物A中，每次加入都以转速350r/min搅拌4h，得到混合物B；
S3、将混合物B在90 ℃条件下干燥24h，制备得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体；
S4、将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体在300 ℃条件下预热2h，再置于氮气保护气氛中烧结，气体流量为250mL/min，升温速率为5 ℃/min，终止温度为900 ℃，保温5h，冷却24h，得到氮掺杂石墨烯包覆磷酸铁锂正极材料。
实施例4：
本实施例氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取6 mg/mL 的氧化石墨烯水溶液35 mL，用水稀释到100 mL，超声分散10 min，再加入15 g木质素磺酸钠超声30min，得到氧化石墨烯-木质素磺酸钠混合物A；
S2、将0.012 mol乙酸锂、0.024 mol磷酸铵、0.024 mol 乙酸铁分别加入1200 mL、2400ml、2400 ml去离子水中，在在温度为15℃下，分散10min制得乙酸锂分散液、磷酸铵分散液和乙酸铁分散液，再将乙酸锂分散液、磷酸铵分散液和乙酸铁分散液依次、缓慢加入混合物A中，每次加入都以转速150r/min搅拌2h，得到混合物B；
S3、将混合物B干燥，制备得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体；
S4、将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体在220 ℃条件下预热3h，再置于氦气、氖气、氩气混合保护气氛中烧结，气体流量为250mL/min，升温速率为3 ℃/min，终止温度为900 ℃，保温2.5h，冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯包覆磷酸铁锂正极材料。
实施例5：
本实施例氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取10 mg/mL 的氧化石墨烯水溶液16 mL，用水稀释到100 mL，超声分散20 min，再加入15 g氨基酸超声25min，得到氧化石墨烯-氨基酸混合物A；
S2、将0.012 mol溴化锂、0.024 mol磷酸一氢铵、0.024 mol碳酸铁分别加入6 mL、12ml、12 ml去离子水中，在在温度为25℃下，分散30min制得溴化锂分散液、磷酸一氢铵分散液和碳酸铁分散液，再将溴化锂分散液、磷酸一氢铵分散液和碳酸铁分散液依次、缓慢加入混合物A中，每次加入都以转速200r/min搅拌3h，得到混合物B；
S3、将混合物B干燥，制备得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体；
S4、将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体在220 ℃条件下预热3h，再置于氪气、氙气、氮气混合保护气氛中烧结，气体流量为230mL/min，升温速率为4 ℃/min，终止温度为820 ℃，保温3.5h，冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯包覆磷酸铁锂正极材料。
综上所述，本发明石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料通过添加氮源，氮掺杂改性石墨烯，改变石墨烯的带隙宽度，将导电性能差的氧化石墨烯在氮源存在条件下改性为具有更优异电性能、良好稳定结构的氮掺杂石墨烯，进一步使得制备得到的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料具有良好的电性能；
本发明提供了一种氮掺杂石墨烯包覆的锂离子电池正极材料的制备方法，该方法借助于磷酸铁锂材料合成过程的惰性气氛，防止亚铁离子氧化为三价铁离子，过程简单、能耗低、包覆均一性良好，氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂材料电化学性能优异。该材料同时解决了传统磷酸铁锂电池正极配方中活性物质少、电池能量密度低的问题，不需要在电池正极中添加导电剂；
本发明打破了常规磷酸铁锂正极材料包覆方法，制备的氮掺杂石墨烯能够均匀包覆在磷酸铁锂表面，为磷酸铁锂提供良好导电通道，使得制得的材料1C放电容量达到143 mAh/g，5C放电容量为1C放电容量的69%，表现出良好倍率性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (14)
1.一种石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料，其特征在于：所述石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料为氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
2.一种如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用去离子水与氧化石墨烯混合制得氧化石墨烯分散液，将氧化石墨烯分散液与氮源混合，得到混合物A；
S2、采用去离子水与锂源、磷源和铁源混合制得锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液，再将制得的锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液依次加入混合物A中，充分搅拌得到混合物B；
S3、将混合物B干燥，得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体；
S4、将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体预热，再置于惰性气氛中烧结，以2~5℃/min的升温速率，升温到650~900℃，保温2~5h，冷却至室温，即得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
3.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯与氮源的质量比为(1~1.1):100，所述氧化石墨烯与所述锂源、磷源和铁源的质量比均为(0.005~0.1):1。
4.根据权利要求3所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯与所述锂源、磷源和铁源的质量比均为 (0.01~0.025):1。
5.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述氮源为三聚氰胺、木质素磺酸钠、聚苯胺、氨基酸、聚吡咯、尿素、氨水、二氰二胺、中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述锂源为磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸氢二锂、碳酸锂、甲酸锂、乙酸锂、柠檬酸锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、溴化锂、苯甲酸锂中的一种或几种。
7.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述铁源为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、柠檬酸铁、四氧化三铁、三氧化二铁、氢氧化铁、碳酸铁、乙酸铁、磷酸铁中的一种或几种。
8.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述磷源为磷酸二氢锂、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸铵、磷酸氢二铵、五氧化二磷、磷酸中的一种或几种。
9.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中去离子水与氧化石墨烯采用超声加搅拌的方式混合，在温度为15~25℃下，分散10~30min得到氧化石墨烯分散液。
10.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中锂源、磷源和铁源采用超声加搅拌的方式混合，在温度为15~25℃下，分散10~30min得到锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液。
11.根据权利要求2或10所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2为将制得的锂源分散液、磷源分散液和铁源分散液依次加入混合物A中，在室温下，以转速为15~350r/min的搅拌速度搅拌0.4~4 h，得到混合物B。
12.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中将氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂前驱体在180~300℃温度下， 预热2~5h后将其放在坩埚内，再置于纯度为99.99%~99.9999%、气体流量为200~250mL/min的惰性气氛中烧结，以2~5℃/min的升温速率，升温到700~820 ℃，保温2~5 h，冷却至室温，即得到氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料。
13.根据权利要求2或所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气中的一种或几种。
14.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯包覆的磷酸铁锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述锂源分散液浓度为0.01~2 mol/L，磷源分散液浓度为0.01~2 mol/L，铁源分散液浓度为0.01~2 mol/L。
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