[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

本发明涉及锂电池正极的改性工艺，尤其是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LiFePO₄成为首选材料之一。进入二十一世纪以来，随着磷酸铁锂正极材料的逐步商业化，由于其原材料丰富，价格低廉，对环境基本无伤害，以及优良的电化学性能备受世人的青睐，甚至为了磷酸铁锂的专利，引起了业界的磷酸铁锂专利纠纷，为了获得磷酸铁锂的专利权，世界知名的锂离子电池厂纷纷打起了国际官司。

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，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LiFePO₄锂离子电池正极材料的一种双掺杂不同比例Mg和V取代Fe离子空位的制备方法，来提高锂离子充放电过程中的锂离子扩散系数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种磷酸铁锂正极材料的金属掺杂方法，包括如下步骤：

（1）、按照Li源、Fe源、PO₄源摩尔比的混合物加入到高纯度分散剂中，并加以研磨混合处理后加入Mg源化合物和V源化合物，接着第一次加入碳源，继续研磨至混合物料粒度分布达到预定值后干燥；

（2）、将上述混合物料第一次烧结；

（3）、将第一次烧结的物料加入到低纯度分散剂中，并在研磨设备中进行研磨混合后第二次加入碳源，继续进行研磨，当物料达到预定粒度后停止研磨，然后干燥；

（４）、将上述物料第二次烧结；

（5）、将第二次烧结的物料进行第三次烧结。

本发明所述Li源、Fe源、PO4源摩尔成份比为：1.000：0.854：0.954；所述分散剂为乙醇，所述高纯度分散剂为乙醇含量不低于95%的乙醇；所述低纯度分散剂为乙醇含量不低于85%的乙醇；所述Mg源化合物和V源化合物加入量为：以Li源为基数，Li源：V源：Mg源摩尔比为1:0.03:0.02，所述Mg源化合物为乙酸镁，V源化合物为五氧化二钒；所述第一次加入碳源为蔗糖或葡萄糖，占锂源质量的7%~10%；第一次加入碳源和第二次加入碳源的质量比为1:3；所述干燥是在100℃~120℃无氧条件下进行；所述第一次烧结，其条件是将物料放置在铁制坩埚中用箱式烧结炉在300℃~600℃下保温2~5小时，并通入氮气保护下处理；所述第二次烧结，其条件是将物料放置在铁制坩埚中用箱式烧结炉在300℃~350℃保温5~10小时，并通入氮气保护下处理；所述第三次烧结，其条件是将物料放置在氧化铝制坩埚中并在隧道窑中以650~730℃保温10~15小时，并通入氮气保护下处理；所述研磨，时间为1～2小时。