[发明专利]一种磷酸铁锂正极材料的金属掺杂方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸铁锂正极材料的金属掺杂方法。

背景技术

随着人类对环境污染压力的加剧，一次能源的有限性，目前急迫需要高能量，低污染，可持续的绿色新能源。

自从上世纪八十年代锂离子电池商业化以来，人们已经注意到其作为一种可持续发展的新能源的潜质，但由于起初的锂离子电池主要的原材料价格昂贵，制作工艺不成熟，限制了其发展。同时，城市汽车尾气成为城市环境污染的第一主要因素，作为无污染的新能源动力电动车成为当下解决汽车污染的主要方法。电动汽车的动力源主要是锂离子电池，而作为正极材料的磷酸铁锂(LiFePO₄)成为首选材料之一。磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料为斜方晶系橄榄石结构，属于聚阴离子型化合物。其空间群为PZnb。LiFePO₄晶体由FeO₆八面体和PO₄四面体构成的空间骨架。与层状和尖晶石的LiCoO₂，LiNiO₂，LiMn₂O₄等正极材料相比，聚阴离子型化合物正极材料具有安全性能好，晶体结构稳定，热稳定性等优点。

目前，磷酸铁锂(LiFePO₄)材料本身较差的导电性和较低的锂离子扩散系数一直是阻碍其实用化的最主要原因，因而促使国内外学者在提高LiFePO₄的导电能力的方面展开了研究。为此，国内外专家已经能够透过包覆、取代、制备成纳米级材料等改质的方法来克服此一缺点。加入导电物质为了提高脱锂后的LiFePO₄的电子导电性，可以在LiFePO₄粉末间引入分散性能良好的导电剂，例如碳黑或金、银、铜等贵重金属，可以明显提高粒子间的导电性能，使得LiFePO₄的利用效率提高，可逆电容量可以达到理论值的95％，即使是在5C的大电流充放电条件下循环性能表现亦十分良好。但是LiFePO₄材料本身仍存在导电性差和锂离子扩散系数低的缺点。

发明内容

本发明提出一种磷酸铁锂正极材料的金属掺杂方法，它可以在LiFePO₄锂离子电池正极材料双掺杂不同比例Zn和Ti取代Fe离子空位，来提高锂离子充放电过程中的锂离子扩散系数，使得LiFePO₄的充放电性能提高，循环次数增加。

本发明采用了以下技术方案：一种磷酸铁锂正极材料的金属掺杂方法，它包括以下步骤：步骤一，第一次研磨混合：首先将Li源化合物、Fe源化合物、PO₄源化合物按照摩尔比1.000∶0.854∶0.954加入纯度大于或等于95％的乙醇分散剂中，并加以研磨混合处理，混合均匀后，加入Ti源化合物和Zn源化合物，Li源化合物∶Ti源化合物∶Zn源化合物的摩尔比为1∶0.02-0.04∶0.02，然后按照锂源质量的7％加入碳源化合物，再进行研磨1小时后，然后在100℃-120℃无氧条件下进行干燥；步骤二，第一次烧结：将步骤一中干燥后制得的物料进行第一次烧结，烧结的温度为300℃-600℃；步骤三，第二次研磨混合：将步骤二中第一次烧结后制得的物料加入到纯度大于或等于85％乙醇分散剂中，并在研磨机中进行第二次研磨混合，按照步骤一中Li源化合物质量的21％加入碳源化合物，继续进行研磨2小时后，然后在100℃-120℃无氧条件下进行干燥，完成了第二次碳源化合物的加入；步骤四，第二次烧结：将步骤三中干燥后的物料进行第二次烧结，烧结温度设定在300℃-350℃；步骤五，第三次烧结：将步骤四中烧结后制得的物料再进行第三次烧结，烧结温度设定在650-730℃，得到具有Zn和Ti掺杂的磷酸铁锂正极材料。