本發(fā)明屬于鋰離子電池材料，尤其涉及到一種富鋰鐵酸鋰的碳包覆方法及所得材料和鋰離子電池。

背景技術(shù)：

1、在鋰離子電池體系中，活性鋰全部來自于正極材料，而鋰離子電池在首次充放電時(shí)，負(fù)極表面通常消耗一部分活性鋰，同時(shí)伴隨著固態(tài)電解質(zhì)膜sei膜的形成，形成sei膜是一個(gè)不可逆的過程，用來形成sei的li+在放電過程中不能再嵌入到正極材料中，造成了電池容量的損失。

2、解決上述問題的現(xiàn)有技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)鋰的方法多為在鋰離子電池正極、負(fù)極中添加活性鋰或補(bǔ)鋰添加劑。然而負(fù)極補(bǔ)鋰通常使用鋰金屬，它是一種非?；顫姷慕饘伲諝庵袠O易發(fā)生反應(yīng)且安全性差。相對(duì)而言，正極補(bǔ)鋰更加安全且易于產(chǎn)業(yè)化，不需要改變工廠現(xiàn)有設(shè)備和流程，是非常有前景的補(bǔ)鋰技術(shù)。但正極補(bǔ)鋰所需要的高鋰正極材料依然需要進(jìn)一步的研究，也即正極補(bǔ)鋰技術(shù)的核心在于尋找到一種含鋰量高，在現(xiàn)有電池的充放電條件下能夠最大限度釋放鋰，并且成本低廉、制備簡(jiǎn)單、方便使用的正極材料。

3、富鋰鐵酸鋰是一種具有非常高比容量的富鋰材料(理論比容量867mah/g)，該材料的首次充放電效率很低，能最大限度得脫鋰并補(bǔ)充在負(fù)極永久消耗的活性鋰，因此富鋰鐵酸鋰在鋰離子電池補(bǔ)鋰領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，但目前制備的富鋰鐵酸鋰空氣穩(wěn)定性極差，導(dǎo)電率低。

4、為了解決富鋰鐵酸鋰材料的上述問題，近幾年已經(jīng)有許多對(duì)富鋰鐵酸鋰材料進(jìn)行包覆改性的研究，其中以碳包覆最為廣泛。第一種碳包覆方式是直接將富鋰鐵酸鋰材料與碳材料混合，進(jìn)行碳包覆，該方法優(yōu)點(diǎn)在于包覆過程簡(jiǎn)單，但弊端也很明顯，容易包覆不均。第二種碳包覆方式是將鐵源、鋰源和碳源混合進(jìn)行燒結(jié)，或先燒結(jié)合成富鋰鐵酸鋰，后在于碳源混合進(jìn)行燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)材料包碳，該方法缺點(diǎn)在于燒結(jié)高溫過程可能材料發(fā)生碳還原，影響純度，另一缺點(diǎn)在于包覆均勻性無法有效保證。第三種碳包覆方式方式是化學(xué)氣相沉積包碳，先用鋰源與鐵源合成鐵酸鋰，之后用甲烷/乙炔等做氣源cvd法在鐵酸鋰表面鍍碳。該方法缺點(diǎn)cvd鍍碳溫度高，能耗大，易發(fā)生碳還原副反應(yīng)，影響材料純度。因此，目前還沒有能夠有效解決富鋰鐵酸鋰加工困難、空氣穩(wěn)定性差、導(dǎo)電性差等技術(shù)問題的成熟方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種富鋰鐵酸鋰的碳包覆方法及所得材料和鋰離子電池，采用該方法可在低溫下使用物理氣相沉積方法在富鋰鐵酸鋰材料表面沉積一層致密均勻的碳包覆層，可解決其加工困難、空氣穩(wěn)定性差、導(dǎo)電性差等技術(shù)問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種富鋰鐵酸鋰的碳包覆方法，包括以下步驟：

3、采用物理氣相沉積法對(duì)置于物理氣相沉積包覆裝置內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)的鐵酸鋰顆粒進(jìn)行碳膜沉積處理；

4、沉積完成后關(guān)閉裝置電源，冷卻至室溫，得到碳包覆鐵酸鋰材料。

5、作為優(yōu)選，鐵酸鋰顆粒在包覆裝置內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)速度為0.1-100g/s，待穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)后，向包覆裝置內(nèi)通入氬氣氣體。

6、作為優(yōu)選，所述物理氣相沉積法為磁控濺射法，采用的碳源為純度99.99％的石墨靶，鐵酸鋰顆粒的粒徑d50為2-30μm。

7、作為優(yōu)選，碳膜沉積處理具體為：

8、打開真空系統(tǒng)，待抽真空至9×10-3pa，預(yù)熱60min，通入氬氣并維持設(shè)備壓強(qiáng)在0.4pa，設(shè)置溫度為200℃，電流3a，電壓400v，開始碳膜沉積。

9、作為優(yōu)選，碳膜沉積的溫度為100-400℃，時(shí)間為1-180min?？梢岳斫獾氖牵?00℃以下進(jìn)行物理氣相沉積包覆，可有效避免了鐵酸鋰材料與碳在包覆過程中發(fā)生碳還原反應(yīng)，保證材料的高純度，進(jìn)而保證材料較好的補(bǔ)鋰效果。

10、作為優(yōu)選，所得碳包覆鐵酸鋰材料的包覆層的厚度為30-900nm。

11、作為優(yōu)選，所得碳包覆鐵酸鋰材料在經(jīng)過空氣濕度20％暴露24小時(shí)后，其充電比容量仍保持在650mah/g以上。

12、本發(fā)明還提供了一種碳包覆鐵酸鋰材料，采用上述任一項(xiàng)技術(shù)方案所述的碳包覆方法制備得到。

13、本發(fā)明還提供了一種鋰離子電池，采用上述技術(shù)方案所述的碳包覆鐵酸鋰材料制備得到。

14、作為優(yōu)選，所述鋰離子電池包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液，其中，所述負(fù)極為鋰片，所述正極包括集流體和結(jié)合在集流體表面的電極活性層，所述電極活性層中的正極活性材料為碳包覆富鋰鐵酸鋰材料。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：

16、1、本發(fā)明通過物理氣相沉積法在鐵酸鋰表面沉積形成包覆均勻、結(jié)構(gòu)致密的碳膜，一方面，物理氣相沉積進(jìn)行碳包覆，碳化包覆過程溫度偏低(≤400℃)，避免了鐵酸鋰材料高溫下發(fā)生碳還原反應(yīng)，保證其高純度；另一方面，鐵酸鋰表面的均勻碳層能夠隔絕外界環(huán)境，避免鐵酸鋰和空氣中的水或二氧化碳接觸，提高鐵酸鋰材料的空氣穩(wěn)定性；最后，鐵酸鋰電導(dǎo)率偏低，碳包覆后材料電導(dǎo)率大幅提升。

17、2、通過本發(fā)明方法制備的碳包覆鐵酸鋰材料能夠有效的彌補(bǔ)鋰電池首次充放電過程中損失的活性鋰，提高鋰電池能量密度，并且在空氣中有良好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。

技術(shù)特征：

1.一種富鋰鐵酸鋰的碳包覆方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳包覆方法，其特征在于，鐵酸鋰顆粒在包覆裝置內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)速度為0.1-100g/s，待穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)后，向包覆裝置內(nèi)通入氬氣氣體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳包覆方法，其特征在于，所述物理氣相沉積法為磁控濺射法，采用的碳源為純度99.99％的石墨靶，鐵酸鋰顆粒的粒徑d50為2-30μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的碳包覆方法，其特征在于，碳膜沉積處理具體為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳包覆方法，其特征在于，碳膜沉積的溫度為100-400℃，時(shí)間為1-180min。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳包覆方法，其特征在于，所得碳包覆鐵酸鋰材料的包覆層的厚度為30-900nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的碳包覆方法，其特征在于，所得碳包覆鐵酸鋰材料在經(jīng)過空氣濕度20％暴露24小時(shí)后，其充電比容量仍保持在650mah/g以上。

8.碳包覆鐵酸鋰材料，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的碳包覆方法制備得到。

9.鋰離子電池，其特征在于，采用權(quán)利要求8所述的碳包覆鐵酸鋰材料制備得到。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋰離子電池，其特征在于，所述鋰離子電池包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液，其中，所述負(fù)極為鋰片，所述正極包括集流體和結(jié)合在集流體表面的電極活性層，所述電極活性層中的正極活性材料為碳包覆富鋰鐵酸鋰材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種富鋰鐵酸鋰的碳包覆方法及所得材料和鋰離子電池，屬于鋰離子電池材料技術(shù)領(lǐng)域。該方法采用物理氣相沉積法對(duì)置于物理氣相沉積包覆裝置內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)的鐵酸鋰顆粒進(jìn)行碳膜沉積處理；沉積完成后關(guān)閉裝置電源，冷卻至室溫，得到碳包覆鐵酸鋰材料。本發(fā)明所得碳包覆鐵酸鋰材料能夠有效的彌補(bǔ)鋰電池首次充放電過程中損失的活性鋰，提高鋰電池能量密度，并且在空氣中有良好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。

技術(shù)研發(fā)人員：楊曉宏,尹雪晗,謝芳,張帥帥,張德慶,楊雪,宮孟濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東?？苿?chuàng)新研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6