[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用，该正极材料为磷酸铁锂，所述磷酸铁锂是通过对LiFePO₄进行偏离化学计量的成分设计得到的，其结构式为Li_1+xFe_1‑xPO₄，0＜x≤0.1。本发明提出了一种偏离LiFePO₄标准化学计量的成分设计法来改善其电化学性能，即锂适当过量、铁欠量，调控锂铁互占位来提高三价铁极化子浓度，进而改善了磷酸铁锂(LiFePO₄)的性能，得到的正极材料纯度高，由纳米颗粒组装成微米结构，振实密度高，具有优异的导电性能和电化学性能。本发明通过溶胶凝胶法制备出该磷酸铁锂正极材料，工艺简单，成本较低，易于实现规模化制备和生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料制造领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着环境和能源问题的日益严重，电动汽车引起了汽车制造企业、政府和用户的关注。对于电动汽车而言，动力电池是其最关键部件，很大程度上决定了汽车的性能。锂离子电池由于工作电压高、比能量高、比功率高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点，正逐步取代传统的铅酸电池、镍镉、镍氢电池，逐渐成为动力电池发展的主流。为进一步提高电动汽车的续航能力，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。橄榄石结构磷酸铁锂LiFePO₄因其高的质量比容量(理论值为170mAh/g)及电压平台(约3.4V)、结构稳定、循环及倍率性能好等优点，使其成为高能量密度、高功率密度型锂离子电池正极材料的研究热点之一。

目前，已经有许多改善橄榄石结构磷酸铁锂LiFePO₄性能的方法和途径，比如采用不同的制备方法，包括水热法、共沉淀法、固相烧结法、溶胶凝胶法等。这些方法各有优缺点。其中水热法所制备的材料通常表现出最佳的性能，但不易于进行成分控制和规模化制备、生产；沉淀法易于规模化制备，但不易成分调控，所得到材料的性能也不如水热法；Ceder等报道的采用固相法通过成分调控获得了性能很好的纳米磷酸铁锂材料。其成分调控主要是通过在表面形成一薄层富铁和磷的非晶相，增加锂离子可滞留的位点数，从而提高其性能，但其内部主相仍然为化学计量LiFePO₄相。溶胶凝胶法易于规模化制备、生产，易于实现成分调控，是一种较好的制备磷酸铁锂的方法。

磷酸铁锂本征电子导电性较差，通常通过在其表面包覆一薄层导电碳的方法提高其颗粒之间的电子导电性，但是很难提高其颗粒内部材料的本征电子导电性。如何改善其颗粒内部材料本身的电子导电性是提高其性能的基本问题之一，由于其电子导电性主要是通过Fe³⁺极化子进行，因此如何提高材料本身的Fe³⁺极化子浓度是改善其本征电子导电性的关键。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明通过对LiFePO₄进行偏离化学计量的成分设计，得到的结构式为Li_1+xFe_1-xPO₄，0＜x≤0.1的磷酸铁锂正极材料，使得材料中的Fe³⁺极化子浓度增加，进而提高其导电性和电化学性能。同时结合溶胶凝胶法进行制备，易于进行成份调控、性能优化，并可规模化制备、生产，具有良好的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种锂离子电池正极材料，所述正极材料为磷酸铁锂，所述磷酸铁锂是通过对LiFePO₄进行偏离化学计量的成分设计得到的，其结构式为Li_1+xFe_1-xPO₄，0＜x≤0.1。

本发明通过对磷酸铁锂进行偏离化学计量成分的设计，即锂适当过量、铁欠量，过量锂占据铁晶位，提高三价铁极化子浓度，进而提高其导电性和电化学性能。在此过程中并不会改变LiFePO₄的晶体结构。