[发明专利]一种纳米级锂电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米级锂电池正极材料及其制备方法，该材料用于聚合物、胶体和液 体锂离子电池中，特别适用于制作大功率的动力电池。

背景技术

目前，锂电池中常用的正极材料有三种：钴酸锂、镍钴酸锂和锰酸锂。钴酸锂和镍钴 酸锂是六方晶系层状岩盐结构的氧化物，锂离子中的电子在O-Co-O构成的八面体层间 隙中移动，具有较高的导电性能和锂离子脱嵌/嵌入的可逆性。锰酸锂是尖晶石三维结构的 氧化物，锂离子中的电子在O-Mn-O构成的八面体立方通道中移动，也具有较高的导电 性能和锂离子脱嵌/嵌入可逆性。它们都是当前锂电池工业中大量应用的正极材料。但金属 钴是地球上稀缺的元素之一，且具有放射性，其氧化物在电池过充和过放时会与电解液发 生剧烈反应，放出大量热量而致使电池起火直至爆炸。因此，钴酸锂和镍钴酸锂的制造成 本高，安全性差。锰酸锂虽然较便宜和安全，可是电容量小，而且在高温条件下(55℃以 上)的循环使用寿命差。即使经过掺杂和表面化学处理，锰酸锂电池的循环使用寿命仍然 无法满足实际要求。因此，锂电池工业，特别是大功率锂电池急需一种成本低廉、环保、 容量大和安全的正极材料。

为此，美国德州大学教授J.B.Goodenough等(A.K.Padhi，K.S.Najundaswamy， C.Masgueslier，S.Okada and J.B.Goodenough，J.Eletrochem.Soc.144，1609-1613(1997)) 于1997年在美国电化学杂志上发表文章，公开了一种新的嵌锂化合物：锂铁磷酸盐多晶 体LiFePO₄。该晶体中的锂离子电子在FeO₆八面体和PO₄四面体结构中自由移动，具有锂 离子的脱嵌/嵌入可逆性。当1摩尔的锂离子从结构中脱嵌出来时，锂铁磷酸盐多晶体的理 论放电容量可达170mAh/g。由于锂、铁储量丰富，锂铁磷酸盐的生产成本低廉。该文预 测，由于锂铁磷酸盐材料具有价廉、环保、高性能和安全等特征，其在电池工业中可能具 有广阔的应用前景。

但是，锂铁磷酸盐在室温下电导率极低(10^-9S/cm)，在正常放电电流(10^-1mA/cm²) 条件下，锂铁磷酸盐的实际放电容量仅为理论值(170mAh/g)的10％。因此，限制了其在 电池中的应用。为了提高锂铁磷酸盐的电导率，近期有文章报道(Suag-Yoon Chang，Jason T.Bloking and Yetming Chiang，Nature，October 123-128(2002))，在其结构中加入微量添加 剂，如Mg、Ti、Nb和Zr等，室温下的电导率有了较大提高。但是，该文中提到的添加剂 的加入方法复杂，微量元素的价格高，不适合大规模工业生产。此外，锂铁磷酸盐的室温 导电空间较大，但其放电电压较低，从而影响了该材料的能量密度。

发明内容

本发明的目的是提供一种以锂铁磷酸盐为基材，还掺有导电掺杂离子和增压掺杂离子 的纳米级锂电池正极材料及其制备方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。

本发明提供的纳米级锂电池正极材料，该材料以锂铁磷酸盐为基材，还掺有导电掺杂 离子和增压掺杂离子，化学通式为：(Li_x[M_1-x])(Fe_y[N_1-y])PO₄，式中：x＝0.9～0.96； y＝0.93～0.97；M为导电掺杂离子，选自Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ti²⁺、Al³⁺、B³⁺、Ce³⁺、C⁴⁺、 Si⁴⁺、Ge⁴⁺或P⁵⁺其中之一或任意两种以上的组合；N为增压掺杂离子，选自Ti²⁺、V⁵⁺、Co³⁺、 Ni³⁺、Mn²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Mo⁴⁺其中之一或任意两种以上的组合。

上述纳米级锂电池正极材料的颗粒直径为40～80nm。