[发明专利]一种水溶-干燥法制备LiFePO4/C复合正极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法，特别是一种水溶-干燥法制备LiFePO₄/C复合正极材料的方法。

背景技术

当前新能源汽车等相关产业正迅速发展，发展新能源汽车可部分替代化石燃料、降低温室气体排放和储存低谷电。动力电池是新能源汽车产业链的关键组成部分。当前可作为新能源汽车动力的可充电电池主要有3 种：铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。从综合性能和成本考虑，锂离子电池是首选，其具有工作电压高、能量密度大和循环寿命长等优点。但锂离子电池的成本和价格仍然偏高，这就制约了其在应用市场的进一步扩展，如电动汽车用大型电池组上的应用。

从当前的研究来看，比较有希望的动力锂离子电池正极材料有 LiMn₂O₄、LiNi_1-xCo_x、Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂、LiFePO₄等几类材料。研究表明，镍酸锂动力电池安全性能差，尖晶石型LiMn₂O₄理论容量较低且晶格中存在John-Teller效应，在充放电过程中易发生结构畸变，特别在高温下锰的溶解将导致电池容量衰减严重，循环性和安全性差。综合比较上述材料的容量、循环性能和安全性等特点，LiFePO₄类橄榄石材料目前最有前途的锂离子动力电池的候选正极材料，而且其还具有成本低廉、绿色无污染和资源丰富的优势。对于电动汽车和电站蓄能调能系统用大型锂离子电池组来说，LiFePO₄的成本优势就更加明显。

1997年，Padhi等首次发现具有橄榄石结构的LiFePO₄能够可逆的嵌入与脱出锂离子，近年来，LiFePO₄作为动力型锂离子电池正极材料被广泛研究。和其他正极材料相比，LiFePO₄材料的优点包括：具有高的理论比容量（约170mAh/g）；3.4V左右平稳放电平台；原料来源丰富、价格低廉；具有优良的循环性能好、稳定性和安全性等。然而，LiFePO₄也存在明显的三个缺点，即电子电导率差、离子扩散系数低和振实密度小。磷酸铁锂在高倍率下放电容量迅速下降，甚至有时候没有电化学充放电能力，其主要原因在于磷酸铁锂的本征电导率低，造成了在充放电过程中电子迁移和锂离子迁移的不同步，有效活性物质利用率低，电极极化明显增加。这就需要从材料制备技术上加以解决。一般，碳包覆、离子掺杂及制备小粒径材料常被用来提高LiFePO₄的性能。表面包覆碳能够提高磷酸铁锂颗粒之间的导电性，离子掺杂能够提高材料本体的电导率，纳米级的材料能够减少锂离子的扩散路径和磷酸铁离子的死区，能够有效提高电池的循环寿命和大电流充放电能力。

现有LiFePO₄工业生产中以高温固相法为主，此方法简单，易于操作，但存在前驱体混合不均匀等多种负面因素，制得的LiFePO₄粒径分布宽广且易于产生多种杂相。采用液相法如共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法和喷雾热解法等，可使前躯体达到分子水平的混合再进行焙烧得到超细且粒径分布集中LiFePO₄微粒。但共沉淀法中pH难以控制，产物的沉淀往往在瞬间产生，各元素比例很难控制，难免杂质的产生，以致在后续热处理时产物中出现各元素的非化学计量性；溶胶凝胶法工艺较复杂，凝胶干燥时收缩性大，粉体材料的烧结性不好；水热法合成出来的产品结晶度低，且要求高压高温，对生产设备要求较高，成本大。喷雾热解法设备要求高，成本较高，难以用于规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种水溶-干燥法制备LiFePO₄/C复合正极材料的方法。

本发明的目的是这样来实现的，它采用水溶的处理方法将水溶性碳源与其他原料混合，形成分子级别均匀混合的前驱体，通过制备纳米尺度材料、碳包覆相结合，制备具有高倍率性能的纳米LiFePO₄材料，使之能应用于中大容量、高功率的动力型锂离子电池。

本发明方法的具体操作步骤如下：