[发明专利]一种正极材料及其制备方法和正极涂覆材料以及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池材料领域，具体地，涉及一种正极材料、该正极材料的制备方法、由该正极材料制备得到的正极涂覆材料，以及含有该正极涂覆材料的锂离子电池。

背景技术

传统化石能源如煤、石油、天然气等日趋枯竭且对环境造成的污染显著，进入21世纪，能源危机和环境污染问题成为人类面临的主要问题。大力开发和高效利用风能、太阳能、潮汐能、核能、地热能等可再生清洁能源成为解决上述两大问题最有效的途径。二次电池作为能量储存和转化的载体，承载着改变能源结构和减少环境污染的希望。研究发现，锂离子电池与其他二次电池相比，具有能量密度高、循环寿命长、环境损害小、平均输出电压高、输出功率大、自放电小、无记忆效应等优点而备受关注。然而，高性能锂离子电池正极材料的研究是研究发展锂离子电池的关键。近年来发展起来的金属氟化物正极材料因其具有锂离子嵌入/脱出反应外，还能够与锂发生转化反应，被视为一种很有发展前景的正极材料。

研究发现，具有层状结构的NH₄FeF₄斜方晶系正极材料可以进行可逆脱嵌锂，引起了人们的关注。长春理工大学的谢星冰采用静电纺丝技术结合双坩埚氟化法制备了NH₄FeF₄纳米微粒(谢星冰.稀土掺杂氟化物的合成及电化学性能(D).吉林：长春理工大学，2014)，颗粒大小为200～300nm，在2.0-4.5V电压区间内进行恒流充放电，平台电势区间为2.8～3.5V，证明锂离子可在斜方晶系结构的NH₄FeF₄层状结构中进行可逆嵌入和脱出，NH₄FeF₄可以用作锂离子电池正极材料。该方法制备过程复杂、材料团聚严重、能耗高，并且所得到的NH₄FeF₄斜方晶系正极材料比表面积较小，材料利用率不高。因此，寻找一种简便经济制备NH₄FeF₄正极材料的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的克服现有的NH₄FeF₄材料及其制备方法的上述不足，提供一种正极材料、该正极材料的制备方法、由该正极材料制备得到的正极涂覆材料，以及含有该正极涂覆材料的锂离子电池。本发明的正极材料具有开口式空心微球结构，比表面大，有利于锂离子在材料中快速脱嵌，实现电池的高容量、大倍率充放电，提高电池的循环稳定性。

本发明的发明人发现，通过先将铁盐与含氟铵盐在有机溶剂中接触直至得到乳白色溶液，然后该将乳白色的溶液在密闭条件下进行溶剂热反应，通过控制溶剂热反应的条件可以得到开口、空心的新型结构的NH₄FeF₄微球，这种新型的NH₄FeF₄开口式空心微球具有更大的比表面积，有利于锂离子在材料中快速脱嵌，实现电池的高容量、大倍率充放电，提高电池的循环稳定性。

本发明第一方面提供了一种正极材料，其中，该正极材料为NH₄FeF₄，其微观形貌为具有开口的空心微球，该空心微球的球面由粒径为40-300nm的NH₄FeF₄纳米微粒构成。

本发明第二方面提供了一种制备正极材料的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

(1)在有机溶剂中，将铁盐与含氟铵盐接触直至溶液呈乳白色；

(2)将步骤(1)所得乳白色的溶液在密闭条件下进行溶剂热反应，所述溶剂热反应的反应温度为80-180℃，反应时间为8-15h。

本发明第三方面提供了根据本发明的方法制备得到的正极材料。

本发明第四方面提供了一种正极涂覆材料，其中，该正极涂覆材料中含有本发明的正极材料。

本发明第五方面提供了一种锂离子电池，其中，该锂离子电池的正极片上涂覆有本发明的正极涂覆材料。

与现有技术相比，本发明的产品和方法至少具有以下优势：

(1)本发明的正极材料具有开口式空心微球形态，比表面大，有助于减小电极在电化学过程中的极化现象以及增加电极与电解液之间的接触，有利于离子的传输；

(2)本发明的正极材料的球壳由纳米颗粒组成，球壳薄，锂离子在纳米颗粒中的嵌入深度浅、扩散路径短，有利于锂离子在材料中快速脱嵌；

(3)本发明制备方法简单，成本低；

(4)本发明制备的正极材料能够实现可逆充放电，循环性能好。