[发明专利]一种铁和氟共掺杂复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铁和氟共掺杂复合材料的制备方法，包括以下步骤：将锂盐、锰源、铁源、氟源、水和玛瑙珠子混合研磨，得到混合物；将所述混合物干燥后破碎，得到粉体；将所述粉体烧结后冷却，得到中间产物；将所述中间产物、碳源和水混合后依次进行研磨、干燥和破碎，得到粉末；将所述粉末烧结后冷却，得到铁和氟共掺杂复合材料。本发明通过在锰酸锂材料同时掺杂Fe和F，Fe和F具有协同作用，能够有效抑制尖晶石结构LiMn₂O₄的Jahn‑Teller效应和锰的溶解，使本发明制备得到的正极材料具有良好的倍率性能和循环性能。而且，本发明提供的制备方法该工艺简单、成本低、环境友好，适用于大规模工业生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种铁和氟共掺杂复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、低污染、无记忆效应等优异性能，被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、平板电脑、相机等便携式电子设备中。随着人们环保意识的增强和石油价格的日益高涨，电动自行车、电动汽车等新能源行业具有良好的发展前景，锂离子电池因为具有以上众多优点而成为电动汽车首选的动力电池。然而锂离子电池作为动力电池，由于安全性能、能量密度、功率密度等问题仍然面临着许多的挑战，因此亟须研发出符合动力电池要求的锂离子电池。

锂离子电池正极材料是锂离子电池的一个重要组成部分，对电池性能影响重大，其中锰酸锂由于具有资源丰富、价格低廉、无毒等优点受到广泛关注，在动力电池中的应用极具优势，但是尖晶石LiMn₂O₄材料有着致命的缺点，容量衰减较快，在高温(55℃)下尤为如此。锰酸锂材料在循环过程中产生容量衰减由以下几个方面导致：(1)充放电过程中发生晶格畸变，即Jahn-Teller效应，引起LiMn₂O₄正极材料结构的收缩与膨胀是导致容量衰减的重要原因。(2)锰的溶解也是容量衰减的原因之一。由于尖晶石中含有Mn³⁺，在酸性条件下会发生歧化反应：2Mn³⁺＝Mn⁴⁺+Mn²⁺，Mn²⁺则可溶解于电解液中，从而造成活性物质的减少，而在高温条件下，歧化反应速度更快。(3)Jahn-Teller效应引起的由立方晶系向四方晶系的结构转变阻碍了锂离子进出的通道，从而使容量衰减。(4)合成材料的结晶度、颗粒大小和形貌、粒径分布等都会影响LiMn₂O₄的电化学性能。(5)LiMn₂O₄具有较高的充放电平台，电解液在高电压下容易氧化分解。(6)不正当使用电池，如过充过放都会影响电池性能。

如何提高锰酸锂正极材料的循环性能和倍率性能成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铁和氟共掺杂复合材料及其制备方法，本发明提供的复合材料具有较好的循环稳定性和倍率性能。

本发明采用高温固相法制备得到的铁和氟共掺杂复合材料为铁(Fe)和氟(F)共掺杂改性尖晶石结构的LiMn_2-xFe_xO_4-yF_y/C复合材料，x＝0.01～0.1，y＝0.01～0.1。在本发明中，铁(Fe)在所述铁和氟共掺杂复合材料中的掺杂量优选为0.01～0.1，更优选为0.03～0.07，最优选为0.05～0.08；氟(F)在所述铁和氟共掺杂复合材料中的掺杂量优选为0.01～0.1，更优选为0.03～0.07，最优选为0.05～0.08；碳在所述铁和氟共掺杂复合材料中的质量含量优选为0.1～20％，更优选为0.5～15％，更优选为1～10％，更优选为2～8％，最优选为3～6％；LiMn_2-xFe_xO_4-yF_y在所述铁和氟共掺杂复合材料中的质量含量优选为80～99.9％，更优选为85～99％，更优选为90～95％。