[发明专利]一种锂离子电池正极复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域中的一种锂离子电池正极复合材料及其制备方法。

背景技术

日益严重的能源危机和全球环境问题加快了人类社会开发新的清洁储能装置的步伐。其中，锂离子电池具有高电压、高容量、循环寿命长、安全性能好等优点，在便携式电子设备、电动汽车、空间技术等领域有广阔的应用前景，是目前各国致力开发的储能装置。橄榄石型含锂过渡金属磷酸盐LiMPO₄(M＝Mn，Fe，Co，Ni)具有结构稳定、热稳定性好、安全性高等优点，而且理论容量高达170mAh g^-1，是目前最理想的锂离子电池正极材料。虽然近年来LiFePO₄得到了迅猛的发展并已经有一定的实际应用，但是它相对于锂的充放电电压平台只有3.4V，低于目前很多电子设备的工作电压，从而大大限制了它的应用范围，其主要应用于动力电池。而LiMnPO₄可以克服这一缺点，它相对于锂的充放电电压平台为4.1V，正好与目前的锂离子电池系统匹配，因此有望成为新一代的锂离子电池正极材料，具有非常好的应用前景。然而，相对于LiFePO₄，制备电化学活性的LiMnPO₄仍旧比较困难，其原因是在LiMnPO₄的电子导电率低和锂离子在LiMnPO₄/MnPO₄相界面扩散较慢。研究表明，提高电化学活性的方法主要有：(1)减小LiMnPO₄的颗粒尺寸可以缩短电子和锂离子的传输距离从而提高其电化学活性；(2)在LiMnPO₄表面包覆碳以提高其电子电导率高。但目前的合成方法多为高温固相法，其采用锂盐、锰盐、磷酸盐和碳材料为原料，通过在还原气氛下煅烧，产物颗粒尺寸大，造成电化学性能差；而且还存在操作繁琐，产品纯度低、以及生产成本高的问题。因此开发新的合成方法制备高性能的LiMnPO₄/C复合正极材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池正极复合材料及其制备方法。

本发明所提供的锂离子电池正极复合材料，由LMMP及碳材料组成；所述LMMP是复合LiMn_1-xMg_xPO₄化学计量比的橄榄石型结构的磷酸盐，其中0≤x≤0.1；具有片状结构，片厚度10～30nm，大小200～300nm，粉体振实密度1.2～1.6g/cm³。

所述LMMP可按照包括以下步骤的方法制备：

(1)将锰盐和镁盐按照1-x∶x的摩尔比溶解在有机溶剂中，配制成金属离子浓度为0.01～1M的溶液，其中0≤x≤0.1；

(2)将磷酸二氢锂溶解在与步骤(1)相同的有机溶剂中，配制成磷酸盐浓度为0.01～1M的溶液；

(3)将步骤(2)得到的溶液缓慢滴加到步骤(1)得到的溶液中，搅拌一段时间，得到悬浮液；

(4)将步骤(3)得到的悬浮液装入水热釜，在120℃～220℃温度下进行热处理，得到沉淀物；

(5)将步骤(4)得到的沉淀物，分别用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在60～100℃干燥10～24小时后，得到LiMn_1-xMg_xPO₄纳米粉末。

上述LMMP制备方法中，所述步骤(1)中的锰盐为乙酸锰、氯化锰、硝酸锰、硫酸锰中的一种或几种；镁盐为乙酸镁、氯化镁、硝酸镁、硫酸镁中的一种或其任意组合；有机溶剂为二甘醇、聚乙二醇300、聚乙二醇400、聚乙二醇600、异丙醇中的一种或其任意组合。所述步骤(3)中的搅拌时间为可3～12小时。所述步骤(4)中的热处理时间可为6～24小时。

所述锂离子电池正极复合材料可按照包括下述步骤的方法制备：

(1)将制备的LMMP样品与碳材料按质量比为8∶2的比例在玛瑙研钵中混合后，放入高能行星球磨机的玛瑙筒中球磨后得到黑色粉末；

(2)将步骤(1)得到的黑色粉末在500～700℃的惰性气体气氛炉中恒温加热2～6小时，随炉冷却得到纳米LMMP/碳复合材料。