[发明专利]用作锂离子电池正极材料的复合磷酸亚铁锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型能源材料领域，尤其涉及一种用作锂离子电池正极材料的复合磷酸亚铁锂及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展，能源危机和环境保护的问题日益突出。1991年Sony公司首先实现了锂离子二次电池的商品化，这在很大程度上促进了电子工业、信息工业、汽车工业、能源产业和环保事业的发展。锂离子电池已经广泛应用于移动通讯设备、便携式计算机、摄像机、照相机等小型设备中，也成为太阳能、风能等发电系统的储备电源、无绳电动工具电源以及混合电动汽车(HEV)、纯电动汽车(EV)电源。

目前市场上使用的锂电池正极材料主要有LiCoO₂、LiMn₂O₄、NiCoMn三元材料和磷酸亚铁锂四种，而前三者占据绝大部分市场份额，磷酸亚铁锂已经实现产业化，但尚未大规模应用于混合电动车和纯电动车。层状钴酸锂由于价格昂贵、资源紧缺、安全性差等缺点一直阻碍着动力锂离子电池的发展和应用，其应用范围也仅限于小型电池。锰酸锂是紧随钴酸锂之后研制而成的锂电池正极材料，通过多年的研究，材料性能得到较大改善，但是其较低的比容量、较差的循环性能使其应用受到了较大限制，虽然通过最近几年的研究，循环性能得到了一定改善，但是高温循环性能还没有得到较好的解决，限制了其在动力电池尤其是电动车电源方面的应用。三元正极材料近几年有了较大发展，但这仅仅是个折衷方案，不能根本解决锂电池的成本、毒性和安全性问题。据估计，锂离子电池正极材料的需求量在近几年仍将会以较快的速度增长。

1997年Goodenough等在专利USA 5,910,382中提出将LiFePO4作为新型锂离子电池的正极材料，这种材料具有原料来源广泛、不污染环境、安全性能好和理论容量较高(170mAh/g)等优点，但同时存在电导率低、倍率性能差的缺点。1999年M.Armand等发表文章称碳包覆改善磷酸亚铁锂材料性能，从而推动了磷酸亚铁锂材料的研究应用。

磷酸亚铁锂材料具有的优点如下：

1、安全性高：磷酸亚铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，不会对消费者的生命安全构成威胁。

2、稳定性高：电压平台稳定(3.4V vs Li/Li+)、高温充电的容量稳定性好，储存性能好。

3、长寿命：磷酸亚铁锂电池的循环寿命达到2000次以上。

4、可快速充电：磷酸亚铁锂电池10C充电，6分钟即可充到容量的80％以上。

5、价格便宜：原料来源广泛、价格低廉，无战略资源及稀有资源限制。

6、绿色环保：使用原料无毒、整个生产过程清洁无毒、无有害物质排放。

因此，磷酸亚铁锂正极材料在动力锂离子电池上的大规模应用将是大势所趋。

目前磷酸亚铁锂的制备方法主要有固相法和液相法，其中固相法又包括碳热还原[中国专利200410003477.1]、微波合成[200610065211.9]及机械球磨法等，液相法有溶胶凝胶法[中国专利200410099216.4]、水热法和共沉淀法[中国专利200410103485.3]等。固相法制备磷酸亚铁锂材料工艺简单，成本低、易于实现产业化，但存在容量较低、倍率性较差的不足。液相法合成磷酸亚铁锂具有容量较高、倍率性好、材料均匀性好、随倍率增大电压降较小等优点，但也存在制备条件苛刻、工艺复杂、成本高、难以实现工业化生产的缺点。王德宇等以锂源、铁源、磷酸盐和碳源物质为原料，采用研磨方式制备的磷酸亚铁锂材料，制备过程中有氨气生成[中国专利200410003477.1]

发明内容

本发明的第一个目的在于针对现有的锂离子电池正极材料磷酸亚铁锂存在的上述问题，提供一种材料容量高、倍率性能好的用作锂离子电池正极材料的复合磷酸亚铁锂。

本发明的第二个目的在于提供一种工艺简单、成本低的本发明的复合磷酸亚铁锂的制备方法。

本发明的用作锂离子电池正极材料的复合磷酸亚铁锂是复合材料，包括磷酸亚铁锂基体和基体外的碳包覆层，所述磷酸亚铁锂基体无其它金属元素掺杂，所述碳包覆层的包覆量为1-10％。

所述碳包覆层的制备原料采用导电乙炔碳黑、纳米导电碳粉、碳纳米管、纳米碳微球、气相生长纳米碳纤维、蔗糖、酒石酸、葡萄糖、尿素、柠檬酸、丙烯酸、果糖、抗坏血酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、丙三醇、呋喃树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、纤维素或沥青中的一种或几种。

上述本发明的复合磷酸亚铁锂的制备方法，包括如下步骤：