[发明专利]锂离子电池正极用磷酸锰锂/碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及采用沉淀转化法制备用于锂离子电池正极的磷酸锰锂/碳（LiMnPO₄/C）复合材料，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

    随着社会的进步和电子信息技术的快速发展，电子仪器和通信设备逐渐小型化，因此对移动电源的需求快速地增长，同时对其性能也提出了更高的要求。此外，近年来电动车及其动力电源的研究开发和应用也备受关注。锂离子电池是一类高能量密度的二次电池。目前，锂离子电池正极材料的容量低于负极材料，因此开发廉价、环保和高性能的正极材料一直是锂离子电池的研发重点。在锂离子电池正极材料中，层状结构的LiCoO₂已经获得了商业应用。然而，钴资源的稀缺和高昂的价格限制了其大规模应用。

    近年来，能够可逆充放电的橄榄石型LiMPO₄（M = Fe, Mn, Ni, Co）锂离子电池正极材料引起了人们的关注。在这类材料中，目前研究开发得较多的是LiFePO₄材料，被视为电动车用较为安全的动力锂离子电池正极材料。与LiFePO₄电极相比，LiMnPO₄电极的理论容量与LiFePO₄相当，但其工作电势（4.1 V vs. Li⁺/Li）却明显高于LiFePO₄电极（3.4 V vs. Li⁺/Li）。因此，以LiMnPO₄作为正极的锂离子电池具有潜在的更高的能量密度和功率密度。此外，LiMnPO₄还具有成本低和环境相容性好的优点，是一种具有发展前景的正极材料。但LiMnPO₄材料具有电子导电性差和锂离子扩散速度慢的缺点。为了改善LiMnPO₄的导电性，可采用导电性好的材料与LiMnPO₄复合或在LiMnPO₄材料的表面包覆一层导电性碳，以提高其电化学性能。

    与非水溶液锂离子电池相比，水溶液锂离子电池具有安全性好、成本低和电解液电导率高的优点。2006年，澳大利亚墨道什大学的一研究组首次报道了LiMnPO₄电极在饱和LiOH水溶液中的电化学性能。该电极的初始放电容量约为75 mAh/g，经过10次充放电循环后，容量降为38 mAh/g。本发明采用沉淀转化法制备出LiMnPO₄/C复合材料，该复合材料在2 mol/L Li₂SO₄中性水溶液电解质中的充放电循环稳定性明显优于上述材料。

发明内容

    本发明的目的在于采用一种新的方法，即沉淀转化法合成一种新型锂离子电池正极复合材料LiMnPO₄/C，该方法制备工艺简便，成本低廉。

    本发明一种锂离子电池正极用LiMnPO₄/C复合材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：

    a. 将草酸和醋酸锂按2:1的摩尔比溶于去离子水中，加入适量蔗糖，磁力搅拌使其混合均匀；蔗痴的加入量为醋酸锂质量的80～86wt%；

    b. 将与醋酸锂等摩尔比的醋酸锰和磷酸二氢胺分别溶于一定量的去离子水中，在磁力搅拌下，将醋酸锰溶液以1滴/秒的速度滴加到草酸、锂盐和蔗糖的混合溶液中，得到粉红色沉淀，再滴加磷酸二氢胺溶液；醋酸锂、醋酸锰和磷酸二氢胺三者的摩尔比为1：1：1；

    c. 将上述体系在70℃水浴中蒸发水分，然后在真空干燥箱中于120℃干燥，研磨成粉末，得到前躯体。将前躯体在氮气氛下以2℃/min的升温速度缓慢升温到650℃，并在650℃下煅烧12 h，得到表面包覆碳的黑色磷酸锰锂/碳（LiMnPO₄/C）复合材料。

    本发明具有以下优点：

    1、用沉淀转化法制备LiMnPO₄/C复合材料的工艺过程简单，无污染，且复合材料中LiMnPO₄与C的比例易于控制。其中用草酸作为沉淀剂，草酸在高温煅烧后生成还原性气体，可以阻止二价锰离子的氧化，并且草酸在煅烧后全部转化为气体，不影响含碳量的化学计量。