石墨烯改性磷酸铁锂及其制备方法、电池和应用与流程

本申请涉及正极活性材料，具体涉及一种石墨烯改性磷酸铁锂及其制备方法、电池、应用。

背景技术：

1、锂电池正极活性材料磷酸铁锂（lifepo4）具有高热稳定性、长循环寿命等特点，而倍率性能较低。对于磷酸铁锂来说，提高其倍率性能固然是其重点改进的方向，但是作为正极活性材料，其循环稳定性对电池来说也尤为重要。

2、现有的提高磷酸铁锂循环稳定性的方式包括优化电池材料（如掺杂改性、表面包覆、粒径控制等）、优化电解液（如选择高化学稳定性的电解液、优化电解液配比、控制电解液酸度和水分含量等）、改进电池工艺（如优化电极的孔隙率和压实密度、采用高导电性的集流体、引入导电剂和粘结剂等），其中，优化电池材料为较为常用的方式，通过金属（如锰、钴、镍、铝、钛等）或非金属（如氮、硫、氟等）掺杂，虽然可以有效提高磷酸铁锂的电导率和离子扩散系数，进而提高其倍率性能，但其循环稳定性和使用寿命会因元素的掺杂而有所降低。

技术实现思路

1、本申请提供一种石墨烯改性磷酸铁锂及其制备方法、电池、应用。所述制备方法可以一步生成磷酸铁锂和石墨烯掺杂，制备步骤简单，成本低廉，制备条件温和，易于实现。

2、本申请是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，本申请提供一种石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，包括如下步骤：

4、将反应液进行水热反应后焙烧，得到石墨烯改性磷酸铁锂；所述反应液中包含锂源、铁源、磷酸、磷酸接枝石墨烯和锂铁接枝石墨烯；

5、所述磷酸接枝石墨烯、所述锂铁接枝石墨烯和所述磷酸的质量比为（0.1~0.2）:（0.7~0.9）:1。

6、在一些可能的实现方式中，制备所述锂铁接枝石墨烯包括如下步骤：

7、将第一溶液进行第一球磨后，洗涤并干燥，得到锂接枝氧化石墨烯；所述第一溶液中包含氧化石墨烯和锂源；

8、将第二溶液进行第二球磨后，洗涤并干燥，得到所述锂铁接枝石墨烯；所述第二溶液中包含所述锂接枝氧化石墨烯和半胱氨酸亚铁。

9、在一些可能的实现方式中，所述第一球磨步骤中，球料比为1:（2~5），球磨时间为5h~15h，球磨速率为100rpm~300rpm。

10、在一些可能的实现方式中，所述第二球磨步骤中，球料比为1:（3~6），球磨时间为4h~10h，球磨速率为100rpm~300rpm。

11、在一些可能的实现方式中，制备所述磷酸接枝石墨烯包括如下步骤：

12、将氧化石墨烯与磷酸混合球磨后，洗涤后干燥，得到所述磷酸接枝石墨烯。

13、在一些可能的实现方式中，制备所述磷酸接枝石墨烯步骤中：球磨的球料比为1:（3~8），球磨时间为3h~12h，球磨速率为200rpm~400rpm，干燥的温度为100℃~130℃。

14、在一些可能的实现方式中，所述焙烧的温度为500℃~700℃。

15、第二方面，本申请提供一种上述的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法制备得到的石墨烯改性磷酸铁锂，包括磷酸铁锂和掺杂在所述磷酸铁锂中的石墨烯。

16、在一些可能的实现方式中，所述石墨烯改性磷酸铁锂的粉末电阻率为5ω·cm~12ω·cm。

17、第三方面，本申请提供一种电池，所述电池的正极活性材料包括上述的石墨烯改性磷酸铁锂。

18、第四方面，本申请提供一种上述的电池在家用电器、电动车、船舶、卫星或储能系统中的应用。

19、本申请提供的一种石墨烯改性磷酸铁锂及其制备方法，与现有技术相比，至少具有如下有益技术效果：

20、（1）本申请的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，将含有锂源、铁源、磷酸、磷酸接枝石墨烯和锂铁接枝石墨烯的反应液进行水热反应，所述磷酸接枝石墨烯和所述锂铁接枝石墨烯不仅作为石墨烯的原料，而且作为水热反应生成石墨烯改性磷酸铁锂的“晶种”，可以促进锂源、铁源和磷酸反应生成磷酸铁锂，提高了反应的速率和产率；所述石墨烯改性磷酸铁锂提高了磷酸铁锂的结构稳定性和电导率。该制备方法制备得到的所述石墨烯改性磷酸铁锂具有优异的导电性、循环稳定性和倍率性能。

21、（2）本申请的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，在水热反应时，半胱氨酸亚铁不仅可以起到缓释亚铁离子，控制反应速度，而且半胱氨酸的还原性还能防止亚铁离子氧化成铁离子，从而降低副反应的发生、提高产率。此外，半胱氨酸亚铁中含有s元素和c元素，焙烧后，s元素和c元素还掺杂在磷酸铁锂中，改善锂离子扩散速率，从而提高电池的循环性能和充放电效率。

22、（3）本申请的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，在水热反应中，一步生成磷酸铁锂和石墨烯掺杂，制备步骤简单，成本低廉，制备条件温和，易于实现。

23、（4）本申请的石墨烯改性磷酸铁锂，采用石墨烯掺杂磷酸铁锂，并掺杂了s元素和c元素，从而提高了磷酸铁锂的导电性、循环稳定性和倍率性能。

技术特征：

1.一种石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，制备所述锂铁接枝石墨烯包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述第一球磨步骤中，球料比为1:2~5，球磨时间为5h~15h，球磨速率为100rpm~300rpm；

4.根据权利要求1~3任一项所述的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，制备所述磷酸接枝石墨烯包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，制备所述磷酸接枝石墨烯步骤中：球磨的球料比为1:3~8，球磨时间为3h~12h，球磨速率为200rpm~400rpm，干燥的温度为100℃~130℃。

6.根据权利要求1~3、5任一项所述的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，所述焙烧的温度为500℃~700℃。

7.一种如权利要求1~6任一项所述的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法制备得到的石墨烯改性磷酸铁锂，其特征在于，包括磷酸铁锂和掺杂在所述磷酸铁锂中的石墨烯。

8.根据权利要求7所述的石墨烯改性磷酸铁锂，其特征在于，所述石墨烯改性磷酸铁锂的粉末电阻率为5ω·cm~12ω·cm。

9.一种电池，其特征在于，所述电池的正极活性材料包括权利要求7~8任一项所述的石墨烯改性磷酸铁锂。

10.一种如权利要求9所述的电池在家用电器、电动车、电动汽车、电动列车、船舶、卫星或储能系统中的应用。

技术总结本申请涉及正极活性材料技术领域，具体涉及一种石墨烯改性磷酸铁锂及其制备方法、电池、应用。所述制备方法包括如下步骤：将含有磷酸接枝石墨烯和锂铁接枝石墨烯的水溶液进行水热反应后焙烧，得到石墨烯改性磷酸铁锂。本申请的石墨烯改性磷酸铁锂的制备方法，采用石墨烯上原位生成磷酸铁锂的方式，在水热反应中，一步生成磷酸铁锂和石墨烯掺杂，制备步骤简单，成本低廉，制备条件温和，易于实现。技术研发人员：陈涛,练平,王跃林,谭正兰,禹梦,曹泽宇,刘帅受保护的技术使用者：湖南裕能新能源电池材料股份有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6