[发明专利]纳米结构锰酸锂/磷酸铁锂/碳三维复合球形粉体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料的制备技术领域，尤其涉及一种锰酸锂/磷酸铁锂/碳三维复合材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源汽车对动力电池需求的扩大，迫切需要发展高安全、高能量密度、高功率、长循环寿命、工作范围宽、环保及价廉的正极材料。相对于正极材料钴酸锂存在的昂贵价格、容量提升空间极其有限、资源紧缺、安全性差等缺陷，锰酸锂作为电池正极材料具有容量适中、平均电压高、安全性好、价格低廉、原材料来源广、合成容易等优点，锰酸锂已成为动力锂离子电池正极材料的首选。磷酸铁锂材料也是最近几年快速发展起来的正极材料，其具有价格低廉、无毒、安全性较高、原料来源广泛、结构稳定性较好、容量高、优越的循环性能等优点，这使得其在动力电池和备用电源领域有着广阔的应用前景。然而，比较锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的各项性能发现，两者虽然都具有各自突出的优点，但也有各自明显的缺陷，如锰酸锂循环性比较差，尤其温度高于55℃时容量衰减特别快；磷酸铁锂振实密度低，体积比容量低，离子导电率与电子导电率较小，在大电流放电时容量衰减较快，尤其是低温性能差是其应用于动力电池的主要障碍之一。

为尽可能地发挥锰酸锂和磷酸铁锂的优点，并克服各自的缺点，将锰酸锂、磷酸铁锂和导电碳材料三者复合使用成为目前研究的热点。如LiFePO₄/C与LiMn₂O₄机械混合材料可使电池具有较好的循环性能和较高的比功率（参见Imachi N,Takano Y,Fujimoto H,et al.Layered cathode for improving safety of Li-ion batteries.J Electrochem Soc,2007,154(5):A412-A416；高旭光、胡国荣：LiFeP0₄-LiMn₂0₄混合正极材料对电池性能的影响，电源技术，2007，31(11):881-884）；中国专利文献（参见CN200610032212.3、CN201110131295.2、CN201110395428.7、CN200710077316.0等中国专利文献）等也有类似报道，即将导电碳材料、磷酸铁锂与锰酸锂等机械混合形成三相复合材料，提高了材料的电化学性能。由此可见，将两者物理复合加之碳的导电性对材料的电化学性能确实具有一定的影响，这种基于不同结构正极材料间的混合使用正成为目前动力电池正极材料研究和应用的主要方向。

然而，纵观这些现有报道的制备工艺，基本上是三种组分的直接固相混合，微观结构的均匀性难以控制，对改善材料的导电性、稳定性及电化学性能非常有限。目前已有Li₂CoO₂、LiNi_xCo_yMn_zO₂表面包覆锰酸锂的报道，其可减少电解液与尖晶石锰酸锂材料的接触，降低对电极材料的腐蚀，增强了锰酸锂的循环稳定性、高温储存性能及安全性（N.V.Kosova,E.T.Devyatkina,V.V.Kaichev,A.B.Slobodyuk.From‘core–shell’to composite mixed cathode materials for rechargeable lithium batteries by mechanochemical process,Solid State Ionics.2011,192:284–288）。但是这些研究目前只停留在表面改性阶段，并没有实现真正意义上的多相纳米复合。

众所周知，球形化可大大提高正极材料的振实密度和循环稳定性。因此，如何通过新工艺，将磷酸铁锂、锰酸锂和导电碳同时实现三相纳米复合、纳米包覆及球形化的控制将是研究人员的研究方向和难点问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种球形化、纳米包覆、三相纳米结构复合穿插的多层次纳米结构锰酸锂/磷酸铁锂/碳三维复合球形粉体材料，还相应提供一种工艺步骤简单、原料来源广泛、生产成本低、操作过程绿色无污染的前述三维复合球形粉体材料的制备方法。