[发明专利]一种锂离子电池正极材料磷酸铁锰锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域中电池正极材料的制备方法，尤其涉及一种锂离子电池正极材料磷酸铁锰锂及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，各国对能源的需求日益增大，而传统化石能源(煤、石油、天然气)的减少和地球环境的日益恶化，成为了人类生存发展的两大障碍，寻找新能源，开发节能环保的能源储存转换装置成为各国研究的热点课题之一。电池作为一种化学能和电能相互转化的器件，是合理利用能源的重要媒介，社会的进步使得开发绿色、高能、安全的电源成为了一种迫切需求。在众多的二次电池中，锂离子二次电池（Lithium-ion batteries，简称 LIB）自诞生之初便凭借其无法比拟的性能成为了全球广泛关注的焦点。

正极材料是锂离子电池的重要组成部分，它不仅作为电极材料参与电化学反应，而且是锂离子的提供者。由于正极材料的密度远高于负极材料，因此正极材料比容量对电池比容量的影响更大，且正极材料约占锂离子电池成本的 40%左右。因此，正极材料的性能和价格等是制约锂离子电池进一步向高能量、长寿命和低成本发展的瓶颈。

LiMPO₄(M=Fe、Mn、Co和Ni)系列电极材料属于聚阴离子型化合物，与普通氧化物电极材料的结构完全不同，因而,具有独特的电化学性能。这类电极材料近年来引起了众多研究人员的极大兴趣，其中，LiFePO₄是目前的研究热点之一，它的理论容量约为170mAh/g，但其相对于Li+/Li的电极电势仅为3.4V。LiCoPO₄和LiNiPO₄的电压平台分别在4.8和5.1V，超出了现有锂离子电池电解液能承受的范围，研究发现，这些材料中LiMnPO₄相对于Li+/Li的电极电势为4.1V，适用于现有锂离子电解液，且这种材料具有成本低、对环境友好，能量密度高等优点。然而，这类材料普遍存在的问题是导电率差，而且LiMnPO₄的电导率只有LiFePO₄的千分之一，几乎属于绝缘体的范畴。为了提高材料的电化学性能,人们使用了许多方法来解决这个问题，如：小的均匀颗粒尺寸可缩短锂离子扩散路径，增大锂离子嵌入脱出时的有效表面积；碳包覆能提高其导电性，并解决颗粒团聚问题；通过金属掺杂提高电子导电性。

本专利在磷酸锰锂基础上进行了提高材料放电比容量的改进实验，通过对磷酸锰锂进行铁元素掺杂稳定了磷酸锰锂的结构，提高了磷酸锰锂的电子导电性，放电比容量0.2C下可达129mAh/g，材料性能明显有了进一步提升。

发明内容

本发明的目的是将磷酸铁锰锂作为锂离子电池正极材料，改进磷酸锰锂正极材料电子导电性差的问题，同时解决磷酸锰锂中由于锰元素姜-泰勒效应引起的结构不稳定问题，提高放电比容量及倍率性能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种锂离子电池正极材料的化学通式为LiFe_0.5Mn_0.5PO₄，通过减少锰元素的量提高材料的电化学性能，本发明专利采用的技术方案为：

一种锂离子电池正极材料磷酸铁锰锂及其制备方法，其特征在于其步骤是：

（1）首先按摩尔比1.0～1.2:1:1称取一定量的锂源、铁源、磷源，然后加入质量分数5%~13%的碳源，混合均匀，在惰性气体氛围中以250~400℃热处理2~5h，随炉冷却处理；

（2）取步骤1制备的混合物一半，按铁锰摩尔比1:1的比例加入锰源，同时根据锰锂磷源摩尔比1:1.0～1.2:1称取锂源、磷源，然后再加入3%碳源，混合均匀后得到磷酸铁锰锂前驱体；

（3）混合均匀后的磷酸铁锰锂前驱体放入化合炉，经2~20min的化合处理后，留待煅烧；

（4）控制升温速率在5~12℃/min，将化合处理后的前驱体粉料，在惰性气体氛围保护下，550~750℃煅烧处理3~12h，随炉冷却至室温，得到碳包覆的磷酸铁锰锂正极材料。

根据所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锰锂及其制备方法，所述铁源为磷酸铁、硝酸铁或氧化铁中的一种或两种。

根据所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锰锂及其制备方法，所述磷源为磷酸铁、磷酸二氢铵或磷酸氢二铵中的一种或两种。

根据所述的一种锂离子电池正极材料磷酸铁锰锂及其制备方法，所述碳源为葡萄糖、蔗糖或聚乙二醇中的一种或两种。