[发明专利]一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明涉及一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料及其制备方法、锂离子电池。其中，一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料，磷酸铁锰锂正极材料的通式为Li_zFe_xMn_1‑x‑yM_y(PO4)_z/C，其中0＜x≤0.6，0＜y≤0.1，1＜z≤1.08，M为掺杂元素，所述磷酸铁锰锂正极材料的一次颗粒为50‑300nm，二次颗粒平均粒径为2‑6μm。该微纳结构磷酸铁锰锂正极材料具有较高的克容量、循环性能、倍率性能、首次库伦效率及振实密度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

随着能源枯竭及对环境保护要求，锂离子电池作为一种清洁、绿色电池被广泛应用，而锂离子电池正极材料是限制锂离子电池在动力方面广泛应用，目前商业化的正极材料中磷酸铁锂具有安全性好、环境友好、倍率充放电特性和循环稳定性好、原材料丰富廉价等优点，但其放电电压平台较低（3.4V），从而影响了其能量密度发挥。

而磷酸锰锂具有同样橄榄石结构，理论克容量接近170mAh/g，其放电电压平台较高(4.1V)，因此从理论上看，其能量密度比磷酸铁锂约高20%，但由于其在充放电过程中存在Mn³⁺ 的Jahn-Teller效应造成晶格的扭曲，Mn³⁺的溶解以及更低的锂离子扩散速率和电子电导率等不利因素，从而导致电性能不能有效发挥。

另外目前获得高性能磷酸铁锰锂主要通过液相合成纳米前驱体，而液相合成时对设备要求较高，设备需要承受一定压力并耐腐蚀，且会产生大量废水，成本高，目前主要处于实验室阶段。

如中国专利CN1632970A公开了高密度球形磷酸铁锂及磷酸锰铁锂的制备方法，其方法是先将硫酸亚铁、磷源、络合剂或在其中再加入硫酸锰，按比例混合后配成混合物水溶液，再用氨水溶液反应合成磷酸亚铁铵或磷酸锰亚铁铵前驱体，洗涤干燥后与碳酸锂以摩尔比1:1均匀混合，在氮气气氛保护下，经过600-900℃高温热处理8-48小时得到磷酸铁锂或磷酸锰铁锂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料，该微纳结构磷酸铁锰锂正极材料具有较高的克容量、循环性能、倍率性能、首次库伦效率及振实密度。

本发明提供一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料，其通式为Li_zFe_xMn_1-x-yM_y(PO₄)_z/C，其中，0＜x≤0.6，0＜y≤0.1，1＜z≤1.08，M为掺杂元素，所述磷酸铁锰锂正极材料的一次颗粒为50-300nm，二次颗粒平均粒径为2-6μm。

其中，掺杂元素能最终提高锂离子的扩散系数。

本发明的目的之二在于提供一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料的制备方法，通过一定范围内摩尔数的非化学计量比控制纳米级一次颗粒的大小，通过二流体喷雾控制微米级二次颗粒的粒度，在制备过程中不断生成一次颗粒和二次颗粒，一次颗粒间构成二次颗粒，其中，通过一定范围内非化学计量比的诱导在低温烧结过程中形成晶格缺陷较多的30-200nm纳米级一次颗粒，然后通过高温烧结得到晶型较好的50-300nm纳米级一次颗粒。

本方法不需要长时间球磨或耐高压设备，工艺简单，环境友好，成本低，易于工业化。

一种微纳结构磷酸铁锰锂正极材料的制备方法，包括如下步骤：