[发明专利]一种石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料及其制备方法，其中，以廉价易得的碳酸锂、磷酸、四氧化三锰、氧化铁、氧化镍和液态聚丙烯腈低聚物为原材料，制备出的石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料。通过包覆石墨烯，克服了橄榄石结构正极材料导电性差的缺点；通过掺杂铁和镍，橄榄石结构的磷酸铁锰镍锂正极材料，与磷酸铁锂正极材料相比，提高了能量密度；通过加入相溶剂（聚乙烯吡咯烷酮），加强了粉体的结合，使体系更均匀；通过进行气流磨，经过碰撞打碎孔隙，从而提高振实密度，进而提高单位体积容量。这一系列的改进，不仅克服了磷酸锰锂导电性差的缺点，而且总的电池能量密度比目前的磷酸铁锂高出15%。

技术领域

本发明涉及锂离子电池制造领域，尤其涉及一种石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的繁荣昌盛和文明的逐步发展，现代科技带来了舒适与便捷的同时，却不得不面临环境被污染、资源短缺、全球变暖、雾霾等问题。同其他电池相比，锂离子电池具有绿色环保、高电压、高容量、循环寿命长、安全性能好的优点，被大规模应用于便携式电子设备、电动汽车、国防工业等领域。

在很大程度上，正极材料的性能决定整个锂离子电池的综合性能。LiCoO₂是目前商业化最成熟、最广泛的正极材料之一。它具有能量密度高、工作电压高、合成简单等优点，但钴金属资源极其匮乏，价格昂贵，且钴元素有毒，会对环境造成污染，因此限制了它的大规模应用；LiMn₂O₄具有能量密度高、原材料价格便宜、对环境无污染等优点，但是其循环性能差，循环过程中容量衰减非常严重，尤其在高温条件下工作，这很大程度上限制了它的实际应用；三元材料镍钴锰具有更高的可逆容量、更低的成本、更好的热稳定性、循环性能较好且对环境污染较小，然而它在循环过程中电压衰减快及功率能量低等问题目前仍未得到有效的解决。

橄榄石结构的正极材料因其具有安全性能高、热稳定性好、原材料丰富、成本低等一系列优点，被认为是最具应用前景的锂离子动力电池正极材料。然而，过低的导电性和锂离子迁移率限制了其大规模应用。目前，橄榄石结构正极材料的代表是磷酸铁锂，一般通过碳包覆或离子掺杂等改性方法，来提高磷酸铁锂的导电性和锂离子扩散速率，但是，仍解决不了磷酸铁锂能量密度较低的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料及其制备方法，旨在解决现有磷酸铁锂正极材料导电性差、能量密度较低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料的制备方法，其中，包括步骤：

A、按照Li：Mn：Fe：Ni：P的摩尔比为1：0.01-1:0.01-1:0.01-1:1的比例将碳酸锂、磷酸、四氧化三锰、氧化铁和氧化镍加入到混合溶剂中，研磨均匀得到混合液；

B、在所述混合液中加入预定量的液态聚丙烯腈低聚物，继续研磨均匀得到正极材料浆料；

C、对所述正极材料浆料进行喷雾干燥处理，得到正极材料前驱体；

D、对所述正极材料前驱体进行气流粉碎，得到正极材料前驱体粉体；

E、在惰性气氛下先对所述正极材料前驱体粉体进行预加热处理，然后再进行煅烧处理，得到石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料。

所述的石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料的制备方法，其中，所述混合溶剂为去离子水与聚乙烯吡咯烷酮或甘油组成的混合溶剂。

所述的石墨烯原位复合磷酸铁锰镍锂正极材料的制备方法，其中，所述聚乙烯吡咯烷酮的相对分子质量为2000-200000。