[发明专利]一种磷酸锰锂-碳复合材料的制备方法

说明书

所属技术领域

本发明涉一种磷酸锰锂-碳复合材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池由一个或多个锂电化学池制备，所述的锂电化学池包括负极(阳极)、正极(阴极)和用于促进离子电荷载流子在负极和正极之间移动的电解质。电极使用两种不同的插入化合物：一种用于活性阴极，一种用于阳极材料。

基于锂的可逆嵌入某些材料的高能量密度和长寿命的可再充电的电池已经能够使轻型和紧凑型电子装置广泛分布，所述电子装置如移动电话和便携式计算机。然而，某些阳极材料，如LiCoO₂的应用已经引起了忧虑，原因在于钴的毒性，由于氧气释放导致的火灾和爆炸的危险以及在过充电或在升高的温度时与有机电解质的剧烈反应(热失控)。而且，钴相当稀少并且因此是昂贵的元素。其它的物质，如LiMn₂O₄具有较差的长期稳定性。

橄榄石结构中的氧离子与P⁵⁺和PO₄^3-四面体多阴离子形成强共价键以稳定三维构架。其它锂过渡金属氧化物如LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂和LiMn₂O₄受困于循环过程中显著的容量衰落。这归因于在提取和再插入过程中导致的结构重排。LiMnPO₄提供相对于Li⁺/Li的4.1V的氧化还原电势，这被认为是对于大部分液体电解质可取得的最大极限值。但是LiMnPO₄作为正极材料时也具有不可避免的缺点。首先，LiMnPO₄的室温电子电导率低，这可以通过在LiMnPO₄颗粒表面包覆导电物质(如碳)或离子掺杂来进行改善；其次，Li⁺在LiMnPO₄中的扩散通道为一维，因而扩散速度慢，使得材料的大电流充放电性能差，活性物质的利用率偏低。

发明内容

本发明提供一种磷酸锰锂-碳复合材料的制备方法，使用该方法制备的正极材料，具有良好导电性能和较高比容量。

为了实现上述目的，本发明提供的一种磷酸锰锂-碳复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）制备钾、镍掺杂的磷酸锰锂前驱体

该钾、镍掺杂磷酸锰锂的化学式为Li_1-xK_xMn_1-yNi_yPO₄，其中：x=0.05-0.1，y=0.1-0.15，按照上述化学式中的Li、K、Mn、Ni、P的摩尔量称取草酸锂、氯化钾、硝酸锰、磷酸氢二铵和硫酸镍，混合后溶于去离子水中，形成锂离子浓度为0.1-0.3mol/L的混合溶液；

在氩气气氛下，在60-80℃下，加入足够使Mn³⁺还原成Mn²⁺的水合肼还原剂持续搅拌8-10h，得到混合物；

将得到的混合物进行喷雾干燥，具体如下：获得的混合物经过窄喷嘴进行，其中获得细液滴，它们被热空气干燥，热空气具有120-130℃的温度，喷雾干燥得到球形固体的钾、镍掺杂的磷酸锰锂前驱体；

（2）碳包覆

将具有比表面积为100-150m²/g的导电的乙炔黑和上述钾、镍掺杂的磷酸锰锂前驱体按照质量比3-5:100混合后，在氩气气氛下进行球磨，研磨速度为400-500r/min，球磨时间为8-10h，球磨结束后，在700-750℃下烧结6-8h即得到磷酸锰锂-碳复合材料。

本发明制备的磷酸锰锂-碳复合材料，将磷酸锰锂复合材料掺杂K、Ni改性以提高其离子扩散性能，以提高其活性，并在其表面包覆一层碳，使得其具有良好的导电性能和循环稳定性。因此该复合材料在用于锂离子电池时，具有较高的比容量以及较长的使用寿命。

具体实施方式

实施例一

制备钾、镍掺杂的磷酸锰锂前驱体

钾、镍掺杂磷酸锰锂的化学式为Li_0.95K_0.05Mn_0.9Ni_0.1PO₄，按照上述化学式中的Li、K、Mn、Ni、P的摩尔量称取草酸锂、氯化钾、硝酸锰、磷酸氢二铵和硫酸镍，混合后溶于去离子水中，形成锂离子浓度为0.1mol/L的混合溶液。