磷酸铁锂-碳纳米管复合材料及其制备方法和应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102427130A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102427130A(43)申请公布日2012.04.25(21)申请号201110070082.3H01M4/1397(2010.01)(22)申请日2011.03.23(71)申请人上海中兴派能能源科技有限公司地址201203上海市浦东新区祖冲之路887弄73号(72)发明人王科伟田强陈小刚安静张军(74)专利代理机构上海浦一知识产权代理有限公司31211代理人王函(51)Int.Cl.H01M4/58(2010.01)权利要求书2页说明书9页附图3页(54)发明名称磷酸铁锂-碳纳米管复合材料及其制备方法和应用(57)摘要本发明公开了一种磷酸铁锂-碳纳米管复合材料，该复合材料由磷酸铁锂颗粒、颗粒外部的纳米碳层和碳纳米管组成，其中碳纳米管通过CVD过程中原位生长于纳米碳层中。此外，本发明还公开了该复合材料的制备方法，将制备好的LiFePO4前驱体粉末、催化剂与液态碳源均匀混合并包覆，制成浆料，通过喷雾进料设备送入高温反应炉，形成浮动CVD过程，之后进行混合物的保温煅烧，从而一步完成磷酸铁锂前驱体造粒、碳纳米管的原位生长包覆以及磷酸铁锂的合成烧结，最终在磷酸铁锂颗粒表面生成均匀的纳米碳层和碳纳米管。此外，本发明还公开了该复合材料在制备电池中的应用。本发明复合材料的碳层和CNTs结晶良好、总体碳含量低、导电性和比容量高，从而大幅提高倍率特性。CN102473ACCNN110242713002427138A权利要求书1/2页1.一种磷酸铁锂-碳纳米管复合材料，其特征在于，所述复合材料由磷酸铁锂颗粒、颗粒外部的纳米碳层和碳纳米管组成，其中碳纳米管通过CVD过程中原位生长于纳米碳层中，即磷酸铁锂与碳纳米管之间形成有效的化学结合。2.如权利要求1所述的磷酸铁锂-碳纳米管复合材料，其特征在于，所述磷酸铁锂颗粒为橄榄石结构，其二次粒径为3～15μm；所述磷酸铁锂颗粒表层均匀生长纳米碳层，该纳米碳层的厚度为5～50nm。3.如权利要求1或2所述的磷酸铁锂-碳纳米管复合材料，其特征在于，所述碳纳米管自磷酸铁锂外层的纳米碳层中生成，所述碳纳米管的管径为2～50nm，内径为1～20nm，长度为10～1000nm。4.一种如权利要求1-3任一项所述的磷酸铁锂-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)磷酸铁锂前驱体粉末的制备：按照比例，称量锂盐、磷盐、铁盐中的两种或者三种，其中锂源、铁源、磷源的摩尔比为：Li∶Fe∶P＝1∶1∶1；上述原料称量加入分散剂后，机械搅拌、研磨，混合均匀后充分干燥，制得磷酸铁锂的前驱体粉末；2)催化剂组分混合包覆：催化剂前驱体为铁、镍、钼、镁的盐类中一种或者多种，其中铁、镍在整体催化剂前驱体中的mol含量为1％～30％；钼的mol含量为1％～20％；镁的mol含量为20％～98％；上述催化剂前驱体盐类加入一种或多种无水中性溶剂充分搅拌溶解，制得催化剂的前驱体盐类溶液；将步骤1)制得的磷酸铁锂前驱体粉末加入上述溶液中搅拌均匀得到悬浊液，如果催化剂前驱体为可溶性有机金属盐类，则持续高速搅拌均匀即制得包覆催化剂组分的磷酸铁锂前驱体浆料；如果催化剂前驱体不是可溶性有机金属盐类，则在高速搅拌时向悬浊液中加入沉淀剂，使催化组分沉积至磷酸铁锂前驱体颗粒上，控制pH值至催化剂组分沉淀完全，继续高速搅拌制得包覆催化剂组分的磷酸铁锂前驱体浆料；3)浮动CVD过程中碳纳米管的原位生长与磷酸铁锂的合成烧结：上述包覆催化剂组分的磷酸铁锂前驱体浆料置于惰性气氛炉的进料仓中，选择恒定升温速率，升温至400～800℃，通入流量为100～5000SCCM的惰性气氛，通过喷雾设备向CVD前区喷入雾化后高度弥散的浆料，由该区的辅助性高压惰性载气气流带入CVD高温反应区，形成浮动CVD过程，中性含碳液体作为碳源气化裂解，催化剂均匀分散于磷酸铁锂前驱体颗粒上并分解催化气化后的碳源，最终在磷酸铁锂前驱体颗粒上催化沉积纳米碳层后析出碳纳米管；浮动CVD的反应时间由高压惰性载气气流控制，经过高温反应区后粉料在烧结区沉积；喷雾进料完成后，复合粉体的中间产物在气氛炉适当温区沉积保温1h～10h，完成磷酸铁锂的合成烧结；保温结束后冷却取样，制得磷酸铁锂-碳纳米管复合产物。5.如权利要求4所述的磷酸铁锂-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述锂源选自氢氧化锂、碳酸锂、磷酸锂、草酸锂或醋酸锂；所述铁源选自三氧化二铁、四氧化三铁、磷酸铁、磷酸亚铁、草酸亚铁或硫酸亚铁；所述磷源选自磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵或磷酸铁。6.如权利要求4所述的磷酸铁锂-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述分散剂为无水乙醇、甲醇、丙酮或异丙