[发明专利]纳米片状磷酸锰铁锂材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用正极材料的技术领域，尤其涉及一种纳米片状磷酸锰铁锂材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好等优点，因此在数码相机、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品中得到广泛应用，对于电动自行车和电动汽车也具有应用前景。目前商品化的锂离子电池一般采用钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)作为正极材料。在上述材料中，LiFePO₄材料由于其安全、环保、价格低等优点，目前已被用作电动车用电池的正极材料。但该材料的工作电压比较低，仅有3.5V，而同为橄榄型结构的LiMnPO₄工作电压则为4.1V，具有更高的能量密度，在电动汽车中具有诱人的应用前景，因此近年来备受关注。但与LiFePO₄相比，LiMnPO₄的电子电导率及锂离子扩散速率更低，导致其电化学性能较差，特别是倍率性能及大电流下的循环稳定性较差。

近年来的研究发现，将部分Mn用Fe取代(LiFe_xMn_1–xPO₄)，可显著提高LiMnPO₄的电化学性能，而少量的Fe掺杂对LiMnPO₄的能量密度影响不大。

如公开号为CN104466161A的中国专利文献公开了一种磷酸锰铁锂材料的固相合成方法，将前驱体材料铁源、锂源、磷源、锰源按比例混合后，加入分散剂进行球磨、烘干，在氮气保护气氛下分别进行一次烧结、二次烧结，最终得到LiMn_xFe_1-xPO₄材料。

又如，公开号为CN103762362A的中国专利文献公开了一种纳米磷酸锰铁锂正极材料的水热制备方法，制备前驱体：按摩尔比为Li：P＝3:1将H₃PO₄溶液和LiOH·H₂O混合；加入浓氨水，pH值9～10；升温至180℃，按摩尔比(Fe+Mn)：Ti：P＝0.99:0.01:1加入去离子水中，混合溶液泵入反应釜内，调控温度在170～200℃；加热至200℃保温7～10h；在洗涤和碳包覆；当冷却至60℃以下，用去离子水洗涤至无硫酸根，加入可溶性有机物碳源，喷雾干燥，热处理7～10h，冷却后得到LiMn_xFe_0.99-xTi_0.01PO₄粉末。

但采用上述方法制备的磷酸锰铁锂材料仍面临挑战，其中的一个缺点是结构不稳定，经反复充放电容量衰减较快，并且倍率性能也不够理想。

发明内容

本发明通过铁的少量掺杂(10％)，并通过优化合成工艺，制备出具有纳米片状的结构，并且LiFePO₄/LiMnPO₄呈固溶的LiFe_0.1Mn_0.9PO₄材料，该材料具有优异的大电流循环稳定性及倍率性能。该制备方法工艺简单可控，能耗低、成本低，适合于大规模工业化生产。

一种纳米片状磷酸锰铁锂材料，由片状结构的LiFe_0.1Mn_0.9PO₄组成，且Fe在Mn的晶格位置均匀分布，所述片状结构的LiFe_0.1Mn_0.9PO₄呈现长方体形，尺寸为纳米级，长和宽的尺寸均小于100纳米，厚度小于20纳米。

作为优选，所述片状结构的LiFe_0.1Mn_0.9PO₄的长和宽的尺寸为40～100纳米，厚度为10～20纳米。