[发明专利]一种磷酸锰锂纳米片的制备方法及产品

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料的制备领域，尤其涉及一种磷酸锰锂纳米片的制备方法及产品。

背景技术

能源是人类生存发展的最重要的物质基础，随着传统化石能源的日益紧缺与人类对能源需求的不断增长，新能源特别是可再生能源成为了当前社会与科学发展的热点。其中，锂离子电池因为其能量密度大、使用寿命长、污染小等优点，成为了当前新能源发展的重要方向。

锂离子电池的充放电过程实质上就是锂的嵌入和脱嵌过程。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为“椅式电池”。目前，锂离子电池仍然存在着安全性和高成本的问题，并且其能量密度尚无法满足生产生活的需求，这是制约锂离子电池发展的最主要的原因。而正极材料的性能制约着锂离子电池的整体性能与进一步发展。

近来，LiMPO₄(M为Fe，Mn，Co以及Ni等元素)被视作最具有潜力的锂离子电池正极材料之一。这其中最有优势的是LiMnPO₄，其优点是放电平台平滑，氧化还原电位相对Li/Li⁺为4.1V，安全性能好，储量丰富。目前锂离子电池常用的正极材料LiCoO₂成本高、毒性强，有安全隐患，因此LiMnPO₄是一个很好的替代物。由氧以及P⁵⁺离子之间强共价键结合而形成的四面体聚阴离子使得橄榄石型LiMnPO₄结构坚固，因此在锂离子电池充放电过程中稳定性更高，循环性能更好，优于传统过渡金属氧化物正极材料，如钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、镍酸锂(LiNiO₂)等。

LiMnPO₄材料主要的缺点为电子导电率和离子导电率低，使得锂离子扩散系数较低，从而导致较低的容量和差的倍率性能，其解决办法一般为表面包覆炭层和减小颗粒尺寸至纳米级。晶体纳米材料的性质与它们的尺寸、形貌和微结构有着紧密的联系，因此调控材料的形貌和降低尺寸可以实现对材料的电学、磁学和光学性能的调控。

目前，合成LiMnPO₄的主要方法包括高温固相、高能球磨、溶胶凝胶和水热法等。其中，水热溶剂热法因容易控制晶体生长反应动力学，产物结晶度高等优点而广泛用于制备各种纳米材料。

目前，国内外报道制备颗粒尺寸较小的制备工艺均相当复杂，无法大规模生产。公开号为CN102903918A的中国专利文献公开了一种磷酸锰锂纳米片的制备方法，首先将抗坏血酸溶解于水/乙二醇的溶剂中，再依次溶入磷酸和醋酸锰，然后将醋酸锂的水/乙二醇溶液滴加到含有磷酸、醋酸锂和抗坏血酸的溶液中，再引入适量聚乙二醇，充分混合获得前驱体，再经160～240℃下热处理，反应得到磷酸锰锂纳米片。

该方法制备工艺简单，但制备得到的LiMnPO₄纳米片的尺寸较大，长为10～15微米，宽为5～7微米，厚度为20～50纳米。无法有效地增大活性物质与电解液的接触面积以及减小锂离子的扩散距离，从而限制了电化学性能。

因此，提供一种简单的方法制备表面积较大、分散性好的LiMnPO₄纳米材料具有重要意义。

发明内容

本发明通过对加料顺序、反应条件的精确控制，获得了一种制备各维度均为纳米尺度的磷酸锰锂纳米片的方法，工艺简单，易于控制。

一种磷酸锰锂纳米片的制备方法，包括以下步骤：

1)将乙二醇与水按体积比为1:1～2混合，得到乙二醇/水混合溶剂；

2)取一部分乙二醇/水混合溶剂与硫酸锰混合，得到浓度为0.08～0.125mol/L的混合液Ⅰ；

3)再取一部分乙二醇/水混合溶剂与硫酸锂和磷酸二氢铵混合，搅拌均匀后，再加入氢氧化钾，继续搅拌得到混合液Ⅱ，所述混合液Ⅱ中硫酸锂浓度为0.125～0.1875mol/L，磷酸二氢铵浓度为0.125～0.167mol/L，氢氧化钾浓度为0.175～0.2125mol/L；

4)将混合液Ⅰ加入混合液Ⅱ中，搅拌均匀得到前驱体溶液，160～240℃下水热反应8～24h后，再经后处理得到磷酸锰锂纳米片；

所述混合液Ⅰ与混合液Ⅱ的体积比为1～1.2:1。