[发明专利]一种掺杂蔗糖的锂离子复合电极材料及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电极材料及其制备工艺，特别涉及一种掺杂蔗糖的锂离子电极材料及其制备方法，属于电极材料领域。

背景技术

铅酸和镍氢电池，由于使用寿命短，容易污染环境，逐步被安全高效的锂电池取代。随着手机、数码相机和游戏机对电池的需求，以及4G移动电话服务推出，在未来锂离子电池的市场仍将保持快速增长。

目前，锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等，其中由于钴有毒且资源有限，镍酸锂制备困难，锰酸锂的循环性能和高温性能差等因素，只能用于小型锂电正极材料；而磷酸铁锂(LiFePO4)具有来源广泛、价格便宜、热稳定性好、无吸湿性、对环境友好等优点，适合大规模开发使用。

橄榄石型结构的磷酸铁锂(LiFePO₄)自1997年被报道具有可逆脱嵌锂特性以来，以其安全性能好、循环性能优异、环境友好、原料来源丰富等优点而成为当前锂离子电池正极材料的研究热点之一。磷酸铁锂(LiFePO₄)其理论比容量相对较高(170MAh/G)，能产生3.4 V (的电压，尤其是具有规则橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO₄)与及其充电态的FePO₄的晶胞参数，同属一种空间群，在结构上极其相似。因此，磷酸铁锂(LiFePO₄)在反复充放电过程中能够保持结构的稳定性，循环可逆性能高。在全充电状态下具有良好的热稳定性、较小的吸湿性和优良的充放电循环性能，因而LiFePO₄被认为是锂离子动力电池发展的主流方向。

然而，磷酸铁锂(LiFePO₄)作为锂电池正极材料，仍然存在缺陷，材料导电性差，LiFePO₄具有稍微扭曲的六方密堆积排列结构，属于正交晶系，空间群为 Pnma。在锂原子所在的 a-c 平面中，包含有 PO₄四面体，晶体中PO₄限制了 Li⁺的移动空间，使得Li⁺的嵌、脱过程只局限在二维可移动空间，而且移动通道过长，因此，LiFePO₄的电子、离子导电率均比较低，尤其在大电流放电的条件下，会有较大的容量损失。

目前，磷酸铁锂(LiFePO₄)主要通过控制晶粒生长，制备出粒径均一、细小的材料，从而强化材料的离子传导性能。合成LiFePO₄—般是采用高温固相法，如：中国发明专利号201010552143.5公开了一种锂离子电池用磷酸铁锂正极材料的制备方法，该方法将锂源、铁源、磷源和掺杂源物质置于搅拌球磨机中混合，将混合料加入到双螺杆挤出机中进行反应挤出，将挤出产物置于惰性气氛炉中，在600-800°C下煅烧5-20小时，得到磷酸铁锂材料。中国发明专利201010300220.8公开了一种磷酸亚铁锂锂离子电池正极材料的制备方法，该方法将粉状铁源、锂源、磷源在螺杆机中挤压粉碎。用该法不能得到晶型规整的粉体材料，而且工艺复杂，需要长时间高温煅烧。为了进一步改善磷酸铁锂(LiFePO₄)的实用性能，人们对其合成工艺进行了研究，发现LiFePO₄粒子半径对电极比容量有较大的影响。LiFePO₄粒子半径越大，Li⁺的固相扩散路程就越长，其脱出和嵌入就越困难，LiFePO₄的容量就越难充分发挥出来。所以，通过减小LiFePO₄颗粒的粒径可改善LiFePO₄正极材料的电化学性能。

为了提高LiFePO₄的性能，在实际制备过程中往往添加稀土元素，稀土元素是金属材料的“维生素”，对改善金属材料的性能有特殊的作用。添加稀土少量的La元素能够代替了Li的位置，很好的融入到橄榄石结构中。但是单单添加Nd稀土元素，对LiFePO₄的导电率性能改善不明显。

发明内容

本发明在传统利用球磨工艺及高温固相法制备过程中添加稀土La粉进行掺杂的基础上，再添加蔗糖，综合提高LiFePO₄的导电及充放电性能。此方法工艺简单，前驱体混合程度良好，生产成本低。该电极材料粉体的制备工艺包括如下步骤：