[发明专利]一种锂离子电池磷酸盐系正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池正极材料领域，特别是涉及一种磷酸盐系正极材料及其制备方法。

背景技术

面对人类对能源的需求日益剧增，一次能源储量逐渐减少，新型能源的开发和应用成为解决能源问题最可行的措施之一。以磷酸盐系材料作为正极的锂离子电池与传统钴酸锂电池相比，具有安全性能高、循环寿命长、成本低廉、绿色环保等性能优势，因此被业界广泛关注，其代表着动力电池正极材料的未来发展方向。但纯相的磷酸盐系材料倍率性能欠佳，成为限制该系列材料大规模应用的关键性难题。

磷酸盐系材料倍率性能差是由于材料电子电导率和锂离子扩散速率均较低导致的。研究表明，材料电子电导率可以通过导电剂包覆而得到显著提高。而对材料锂离子扩散速度的改善方法目前尚存在着各种技术难题，例如：机理上认为元素掺杂可以通过修饰晶胞参数来扩大锂离子传导的通道，但掺杂技术难以掌握，对材料的改善一致性较差；制备纳米级材料缩短了锂离子扩散的自由程，可以有效提高扩散速度，但纳米级材料对极片的加工工艺要求苛刻，国内企业尚未掌握将纳米材料加工成极片的核心技术。根据文献对锂离子在磷酸盐系材料中的扩散机理研究可知，锂离子的扩散仅能沿着橄榄石结构晶体的b轴扩散，属于一维度扩散，导致材料的倍率性能较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种倍率性能优良的LiMPO₄/C正极材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种锂离子电池磷酸盐系正极材料，其结构组成为LiMPO₄/C，其中M为金属元素，碳含量为1～6％(wt％)。其中所述的金属元素M为Fe、Mn或Co。

一种上述锂离子电池磷酸盐系正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)制备磷酸盐前躯体：分别配置1mol/L的金属盐溶液和1mol/L磷酸溶液，将金属盐溶液注入反应釜中，开启搅拌，加入溶液体积1％～5％计量的氟碳表面活性剂，以低于500ml/min的速度打入磷酸溶液，待磷酸溶液加完后，加入氨水调节pH为2～4，反应6小时以上，然后将物料进行抽滤、洗涤，洗涤至洗涤水pH为8～9，烘干，得到磷酸盐前躯体；

2)将所得磷酸盐前躯体与锂源、碳源、溶剂按照设计比例置于球磨机中混合1～24小时，其中金属与锂的摩尔比为M∶Li＝1∶1～1.05，碳源按产品碳含量为1％～6％计算，溶剂按照液/固质量比为1～20∶1计算；

3)将混合浆料进行进行喷雾干燥和成球处理；

4)干燥后物料置于焙烧炉中，在惰性气体保护下于500℃～900℃保温4～24小时后，对烧结产物筛分，制得所述锂离子电池磷酸盐系正极材料。

其中，步骤1)所述的磷酸盐前躯体为磷酸铁、磷酸锰或磷酸钴；所述的金属盐溶液为氯化铁溶液、硝酸铁溶液、氯化锰溶液、硝酸锰溶液、氯化钴溶液或硝酸钴溶液。

步骤2)中所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂或醋酸锂；所述的碳源为乙炔黑、superP、ensaco、碳纳米管、葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、聚乙二醇或羧甲基纤维素。

步骤4)中所述的惰性气体为氩气或氮气。

本发明的优点在于：通过制备纳米厚度的片状磷酸盐前躯体，将片状前躯体与锂源、碳源、溶剂混合，采用喷雾干燥的方法使锂源、碳源在磷酸盐纳米层片上干燥，并形成微米尺度的球形颗粒。再通过惰性气体保护，高温反应生成形貌为纳米片组成的球形磷酸盐系正极材料。该材料的颗粒是由纳米厚度的小片成球化，形成微米级二次颗粒，通过设计材料形貌将锂离子的一维度扩散转化为三维度扩散，极大地提高了LiMPO₄/C材料的导电性，改善了其电化学性能。其中LiFePO₄/C材料在10C倍率下充放电，容量保持率达到90％。

附图说明

图1为根据本发明的方法制备的LiFePO₄/C正极材料的倍率充放电曲线；

图2为根据本发明的方法制备的LiFePO₄/C正极材料的XRD图；

图3为根据本发明的方法制备的LiFePO₄/C正极材料的SEM图；

图4为图3的局部放大图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的产品及其制备方法进行详细说明。

实施例1