[发明专利]一种表面活性剂辅助稀土元素掺杂碳包覆磷酸铁锂的制备方法和应用

说明书

一种表面活性剂辅助稀土元素掺杂碳包覆磷酸铁锂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)按LiFe_1‑xM_xPO₄的设计称取化学计量比的磷酸铁、铁粉、磷酸锂、掺杂剂，加入有机碳源和溶剂，所述溶剂作为湿法球磨的分散剂，加入表面活性剂，将上述原料进行中速球磨混料，得到浆料A；所述LiFe_1‑xM_xPO₄中，M为掺杂元素，x＝0.01‑0.05；所述表面活性剂选自烷基葡萄糖苷或聚氧乙烯烷基酚醚中的至少一种；(2)将浆料A进行高速砂磨使原料细化并混合均匀，得到浆料B；(3)将浆料B经喷雾干燥去除溶剂，得到粉末C；(4)粉末C在还原气氛中烧结，得到稀土元素掺杂碳包覆掺杂磷酸铁锂。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种稀土元素掺杂碳包覆磷酸铁锂的制备和作为锂离子电池正极材料的应用。

技术背景

锂离子电池凭借高能量密度、体积轻巧、循环性能好等优势自商品化以来就迅速占据市场。随着能源危机的逐渐加剧，催生了新能源行业的快速发展，导致电动汽车、储能电站等市场的日益火热，也对作为电动汽车动力源的锂离子电池提出了更高的要求。自1997年Goodenough及其合作者发明LiFePO₄并将其应用于锂离子电池以来，该材料便得到了广泛关注。橄榄石型LiFePO₄正极材料具有能量密度高、电压平台稳定、寿命长、成本低、安全性能好等优点，被认为是很有前途的正极材料，在动力汽车和储能等行业应用广泛。

由于LiFePO₄材料自身结构的原因导致其电子导电性差，锂离子扩散系数小，从而对LiFePO₄的发展产生巨大阻碍。为了克服这一问题，研究者们做了大量的研究并发现通过少量元素掺杂，可以提高电子的导电性，减少阻抗和极化，改善磷酸铁锂在不同倍率下的充放电性能和循环稳定性，在一定程度能减小使用过程中的容量衰减。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种碳包覆掺杂磷酸铁锂的制备方法，通过引入表面活性剂配合高速砂磨来大批量制备碳包覆掺杂磷酸铁锂材料，得到的材料具有高容量、高电导率、低内阻和良好的循环稳定性且整个制备过程无废水、废气排放，低污染，易于实现产业化。

本发明的第二个目的是提供所述碳包覆掺杂磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种表面活性剂辅助稀土元素掺杂碳包覆磷酸铁锂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)按LiFe_1-xM_xPO₄的设计称取化学计量比的磷酸铁、铁粉、磷酸锂、掺杂剂，加入有机碳源和溶剂，所述溶剂作为湿法球磨的分散剂，加入表面活性剂，将上述原料进行中速球磨混料，中速球磨转速设置为400-600rpm，球磨时间为0.5-2h，得到浆料A；所述LiFe_1-xM_xPO₄中，M为掺杂元素，选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中的至少一种，x＝0.01-0.05；所述表面活性剂选自烷基葡萄糖苷或聚氧乙烯烷基酚醚中的至少一种，其添加质量为总原料质量的3％-10％，所述的总原料质量是指磷酸铁、铁粉、磷酸锂和掺杂剂的总质量；

(2)将浆料A进行高速砂磨混合，高速砂磨的砂磨转速为2400-2800rpm，砂磨时间为3-6h，使原料细化并混合均匀，得到浆料B；

(3)将浆料B经喷雾干燥去除溶剂，得到粉末C；

(4)粉末C在还原气氛中烧结，得到稀土元素掺杂碳包覆掺杂磷酸铁锂。

本发明中，所述的碳源为廉价的葡萄糖、蔗糖、沥青中一种或多种的组合，碳源的添加量为总原料质量的10％-20％。