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应用聚吡咯/石墨烯改善磷酸 铁锂电化学性能的方法

阅读：357发布：2024-02-07

专利汇可以提供应用聚吡咯/石墨烯改善磷酸铁锂电化学性能的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种锂电池制造技术领域的应用聚吡咯/ 石墨烯改善磷酸铁锂电化学性能的方法，利用氧化自聚合吡咯和化学还原氧化石墨烯的包括:吡咯被氧化聚合成聚吡咯，同时氧化石墨烯被吡咯还原成石墨烯，在一个处理液中经一次操作于磷酸铁锂的粉末表面形成具有导电性和抗腐蚀性的聚吡咯/石墨烯复合层。本发明操作过程和工艺简单，复合层生成过程中无需添加有机溶剂、表面活性剂、还原剂和氧化剂，生产成本低。同时，本发明原子级的化学还原自聚合反应附着与简单的机械混合相比，有着更高的结合度和均一性，从而可明显提高磷酸铁锂的倍率放电性能和循环稳定性。，下面是应用聚吡咯/石墨烯改善磷酸铁锂电化学性能的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂的制备方法，其特征在于，利用吡咯的无电自聚合反应，将氧化石墨烯被吡咯部分还原成石墨烯，同时吡咯被氧化聚合成聚吡咯，从而实现在磷酸铁锂的粉末表面形成具有导电性和抗腐蚀性的聚吡咯/石墨烯复合层；
所述的无电自聚合反应通过配置含有氧化石墨烯、吡咯、过硫酸铵以及水的处理液，与磷酸铁锂充分反应得以实现。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的处理液由氧化石墨烯、吡咯、过硫酸‐4 ‐3 ‐5
铵以及水组成，其质量比为0.2～5×10 :1～6×10 ：0.2～1×10 :1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的磷酸铁锂的粉末与处理液的质量比为0.01～0.2:1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的充分反应是指：在搅拌速度为120～
360转/min的条件下搅拌5～40min。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，搅拌后将磷酸铁锂的粉末取出并水洗2～
3次，抽滤至无水滴后置于压力小于‐0.08MPa的真空干燥箱中真空干燥即在表面形成聚吡咯/石墨烯复合层。
6.一种具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂，其特征在于，通过上述任一权利要求所述方法制备得到，其表面有石墨烯层和海绵状导电物质，且具有化学还原石墨烯与聚吡咯氧化自聚合的双重的形貌特征。
7.一种磷酸铁锂电池，其特征在于，包括：正负极、隔膜以及电解液，其中：正极由N‐甲基吡咯烷酮、根据上述任一权利要求中所述的具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂的粉末、导电炭黑和聚偏氟乙稀组成。
8.根据权利要求7所述的磷酸铁锂电池，其特征是，所述的正极，以N‐甲基吡咯烷酮为溶剂，将具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂的粉末、导电炭黑和聚偏氟乙稀混合，搅拌均匀成泥浆状涂覆于铝箔表面并干燥后制成，其中：具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂的粉末、导电炭黑和聚偏氟乙稀的质量比为80:10:10。
9.根据权利要求7所述的磷酸铁锂电池，其特征是，所述的电解液，由六氟磷酸锂/碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲基乙基酯混合制成，其组分及含量为：1mol/L LiPF6/EC、DEC、EMC以体积比为1:1:1混合。

说明书全文

应用聚吡咯/石墨烯改善磷酸 铁锂电化学性能的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种锂电池制造技术领域的方法，具体是一种应用聚吡咯/石墨烯改善磷酸铁锂电化学性能的方法。

背景技术

[0002] 随着使用化石能源所导致的环境污染问题日益严重，绿色、无污染的新能源产业越来越引起人们的重视。作为新能源产业的代表之一，锂离子电池产业在近些年得到了迅猛的发展。锂离子电池作为近年来迅猛发展起来的一种高能绿色电池，与其它二次电池相比，具有能量密度高、输出功率大、无记忆效应、循环性能好和环境污染小等优点，应用前景广阔。然而，相对于其它锂离子电池材料，其正极材料的发展较为缓慢，已成为制约锂离子电池整体性能提高的主要因素。

[0003] 近年来，具有橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料因其价格低廉、环境友好、比容量高和良好的高温电化学性能等优点成为当前的研究热点之一，但仍存在锂离子的扩散系数小、电子和离子电导率低、大电流密度充放电性能差等问题。因此提高LiFePO4的导电性能，改善大电流充放电性能及倍率性能是LiFePO4材料研究工作的重点内容。

[0004] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104009232A公开(公告)日2014.08.27，公开了一种磷酸铁锂复合正极材料的制备方法。本发明方法先将磷酸铁锂与聚吡咯纤维在无水乙醇中分散均匀后、喷雾干燥、再球化融合处理，然后在惰性气氛条件下煅烧，球磨筛分后即得到磷酸铁锂与含氮碳纤维复合正极材料。该技术所述及复合材料的制备方法、步骤复杂，聚合物成本高，时间较长，操作流程不易控制；在所涉及的锂离子电池应用中，预期效果有限且改善锂离子电池性能程度不足以满足动力电池市场的需求。

[0005] 聚吡咯(PPy)是一种杂环共轭型直链状导电高分子，电导率可达10～103S/cm，具有在空气中稳定性好、耐热性、耐化学氧化性以及很好的电化学氧化‐还原可逆性等特性。因其制备简便、易加工、单体无毒的特点，被认为是二十一世纪较有商业价值的导电材料。
所以，我们拟通过将聚吡咯与石墨烯相结合的方式，包覆于磷酸铁锂表面，利用聚吡咯和石墨烯的物理化学性质来提高磷酸铁锂的高倍率放电性能和循环稳定性能。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种应用聚吡咯/石墨烯改善磷酸铁锂电化学性能的方法，工艺简单、结合度和均匀性好。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0008] 本发明利用吡咯的无电自聚合反应，将氧化石墨烯被吡咯部分还原成石墨烯，同时吡咯被氧化聚合成聚吡咯，从而实现在磷酸铁锂的粉末表面形成具有导电性和抗腐蚀性的聚吡咯/石墨烯复合层。

[0009] 所述的无电自聚合反应通过配置含有氧化石墨烯、吡咯、过硫酸铵以及水的处理液，与磷酸铁锂充分反应得以实现，该处理液中氧化石墨烯、吡咯、过硫酸铵以及水的质量‐4 ‐3 ‐5比为0.2～5×10 :1～6×10 ：0.2～1×10 :1。

[0010] 所述的磷酸铁锂的粉末与处理液的质量比为0.01～0.2:1。

[0011] 所述的充分反应是指：在搅拌速度为120～360转/min的条件下搅拌5～40min。

[0012] 所述的无电自聚合反应，优选为搅拌后将磷酸铁锂的粉末取出并水洗2～3次，抽滤至无水滴后置于压力小于‐0.08MPa的真空干燥箱中真空干燥即在表面形成聚吡咯/石墨烯复合层。

[0013] 本发明涉及上述方法制备得到的具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂，其表面有石墨烯层和海绵状导电物质，且具有化学还原石墨烯与聚吡咯氧化自聚合的双重的形貌特征。

[0014] 本发明涉及一种磷酸铁锂电池，包括：正负极、隔膜以及电解液，其中：正极由N‐甲基吡咯烷酮(NMP)、具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂的粉末、导电炭黑和聚偏氟乙稀(PVDF)组成。

[0015] 所述的正极，以N‐甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，将具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂的粉末、导电炭黑和聚偏氟乙稀(PVDF)混合，搅拌均匀成泥浆状涂覆于铝箔表面并干燥后制成，其中：具有聚吡咯/石墨烯复合层的磷酸铁锂的粉末、导电炭黑和聚偏氟乙稀(PVDF)的质量比优选为80:10:10。

[0016] 所述的干燥是指真空干燥12小时。

[0017] 所述的负极采用金属锂。

[0018] 所述的隔膜，采用微孔聚丙烯(Celgard2300)膜。

[0019] 所述的电解液，由六氟磷酸锂(LiPF6)/碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲基乙基酯(EMC)混合制成，其组分及含量优选为：1mol/L LiPF6/EC、DEC、EMC以体积比为1:1:1混合。

[0020] 所述的电池在充满高纯氩气的手套箱内组装得到。技术效果

[0021] 与现有技术相比，本发明在一个处理液中经一次操作于磷酸铁锂的粉末表面形成高导电性和抗腐蚀性的聚吡咯/石墨烯复合层，操作过程和工艺简单，复合层生成过程中无需添加有机溶剂、表面活性剂、还原剂和氧化剂，生产成本低。同时，本发明原子级的化学还原自聚合反应附着与简单的机械混合相比，有着更高的结合度和均一性，从而可明显提高磷酸铁锂的倍率放电性能和循环稳定性。附图说明

[0022] 图1为本发明实施例1中处理前后商品覆碳磷酸铁锂的粉末的场发射扫描电镜图；

[0023] 图中:(a)是未处理的商品覆碳磷酸铁锂的粉末，(b)是聚吡咯/石墨烯复合表面处理后的商品覆碳磷酸铁锂的粉末。

[0024] 图2为本发明实施例1中处理前后商品覆碳磷酸铁锂电极的循环性能曲线；

[0025] 图中:(a)是未处理的磷酸铁锂电极，(b)是聚吡咯/石墨烯复合表面处理后的磷酸铁锂电极。

[0026] 图3为本发明实施例1中处理前后商品覆碳磷酸铁锂倍率充放电曲线；

[0027] 图中:(a)是未处理的磷酸铁锂电极，(b)是聚吡咯/石墨烯复合表面处理后的磷酸铁锂电极。

具体实施方式

[0028] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1

[0029] 本实施例包括以下步骤:配制200mL含氧化石墨烯0.01g、吡咯1mL、过硫酸铵0.002g的混合水溶液；在上述混合溶液中加入2g商品覆碳磷酸铁锂的粉末，在搅拌速度为180转/min条件下搅拌8min；将上述反应后的磷酸铁锂的粉末经水洗、抽滤，置于‐0.08MPa的真空干燥箱中真空干燥。

[0030] 如图1所示，与未处理磷酸铁锂的粉末(a)相比，聚吡咯/石墨烯复合表面处理后的磷酸铁锂的粉末(b)表面有明显的石墨烯层和海绵状导电物质，有着化学还原石墨烯与聚吡咯氧化自聚合的双重的形貌特征。

[0031] 如图2和图3所示，以N‐甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，按质量比80:10:10，将处理前后的磷酸铁锂的粉末、导电炭黑和聚偏氟乙稀(PVDF)混合，搅拌均匀成泥浆状涂覆于铝箔表面，然后真空干燥12小时，压片制成直径为10mm的正极片。以金属锂作为参考负极，以微孔聚丙烯(Celgard2300)膜为隔膜，以1mol/L LiPF6/EC+DEC+EMC(体积比为1:1:1)为电解液。在充满高纯氩气的手套箱内，组装成CR2032扣式电池。静置12小时后进行电化学性能测试。

[0032] 模拟电池采用蓝电电池测试系统(LAND CT‐2001A)进行充放电性能测试。以不同充放电倍率(0.2、0.5、1、2、5和10C)，在2.5～4.2V 电压范围内对处理前后的磷酸铁锂样品进行充放电性能测试。充放电循环测试结果表明:0.2C和10C充放电时的比容量分别约为170和97mAh/g。实施例2

[0033] 本实施例包括以下步骤:配制150mL含氧化石墨烯0.2g、吡咯0.5mL、过硫酸铵0.001g的混合水溶液；在上述混合溶液中加入20g商品覆碳磷酸铁锂的粉末，在搅拌速度为120转/min条件下搅拌60min；将上述反应后的磷酸铁锂的粉末经水洗、抽滤，置于‐0.08MPa的真空干燥箱中真空干燥。

[0034] 对处理前后的磷酸铁锂样品进行充放电性能测试。充放电循环测试结果表明:0.2C和10C充放电时的比容量分别约为165和92mAh/g。实施例3

[0035] 本实施例包括以下步骤:配制100mL含氧化石墨烯0.003g、吡咯2mL、过硫酸铵0.0005g的混合水溶液；在上述混合溶液中加入1g商品覆碳磷酸铁锂的粉末，在搅拌速度为300转/min条件下搅拌10min；将上述反应后的磷酸铁锂的粉末经水洗、抽滤，置于‐0.08MPa的真空干燥箱中真空干燥。

[0036] 对处理前后的磷酸铁锂样品进行充放电性能测试。充放电循环测试结果表明:0.2C和10C充放电时的比容量分别约为175和96mAh/g。

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