[发明专利]一种制备片状磷酸锰锂/石墨烯复合材料的喷雾干燥辅助合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，特别涉及一种喷雾干燥辅助合成片状磷酸锰锂/石墨烯复合材料的方法。属锂离子电池电极材料技术领域。

背景技术

目前，煤、石油、天然气等化石能源日益枯竭，由此带来的环境污染问题日趋严重，因此，优先和重点发展提高能源利用率和开发新清洁能源的技术已成为各国政府的发展战略目标。新能源主要包括太阳能、风能、生物质能、核能和海洋潮汐能等清洁能源，而这些能源具有不连续性和不稳定性等特点，因此要充分利用新能源就涉及到能量高效率的转化与存储。化学电源可以实现化学能与电能之间的转化、储存能量，在人们的生产生活中起着至关重要的作用。

锂离子电池具有电压高、循环性能好、能量密度大、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽等众多优点，是新一代的绿色高能电池。目前，锂离子电池的应用领域不断扩大，已成为对国计民生具有重要意义的高新技术产品的重要内容。

正极材料在很大程度上决定了锂离子电池的性能，因而一直是国内外锂离子电池界的研究热点。绝大部分研究工作集中在第四周期Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni 6种可变价过渡金属元素的嵌锂化合物上。第一代正极材料为金属硫化物，如TiS₂、MoS₂等。第二代正极材料为锂-过渡金属复合氧化物，以LiCoO₂为代表，包括LiNiO₂、LiMnO₂、LiMn₂O₄、LiV₃O₈、LiNi_xCo_1-xO₂、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂及各种衍生物。第三代正极材料是以LiFePO₄为代表的聚阴离子型化合物材料。与锂-过渡金属复合氧化物材料相比，聚阴离子型化合物正极材料普遍具有晶体结构稳定，热稳定性好，安全性能优异等突出优点，可应用于动力型和储能型锂离子电池。

我们知道，通过控制颗粒尺寸和表面包覆导电碳层，LiFePO₄正极材料的倍率性能已经达到优异的水平，因而被认为是非常实用的正极材料。尽管如此，与其他的正极材料如LiCoO₂、LiNiCoO₂和Li₂MnO₄等相比，LiFePO₄的放电平台很低，只有3.4 V（相对Li/Li⁺）。而与其结构相似的LiMnPO₄的放电平台达到4.1 V，比LiFePO₄高0.65 V，且能在目前现有的电解质溶液中稳定使用；此外，LiMnPO₄的能量密度为697 Wh/kg，是LiFePO₄能量密度（586 Wh/kg）的1.2倍，所以被认为是一种很具潜力的正极材料。但是LiMnPO₄很低的锂离子扩散系数和比LiFePO₄更低的电子电导率（比LiFePO₄低5个数量级），限制了其大规模应用。

针对上述缺点，研究者采取各种方法对LiMnPO₄进行改性，主要包括减小颗粒尺寸、阳离子掺杂、对纯相的LiMnPO₄进行碳包覆、直接合成LiMnPO₄/C复合物。在这些改性的手段中，减小颗粒尺寸和碳包覆是最主要的方法。尽管如此，制备的LiMnPO₄材料还远远达不到商业电池的使用要求。