[发明专利]一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法与应用，其先称取合适化学计量比的碳酸锂和氧化铝置于球磨机中，乙醇作为分散剂，球磨后焙烧，冷却，过细筛得到LiAlO₂粉末；再以氢氧化锂、磷酸、一水硫酸锰和七水硫酸亚铁为反应物，乙二醇为溶剂，制备LiAlO₂‑LiMn_0.5Fe_0.5PO₄前驱体；最后将LiAlO₂‑LiMn_0.5Fe_0.5PO₄前驱体与葡萄糖按质量比2:1进行球磨分散，球磨后放于通惰性气体的管式炉中煅烧，冷却，过细筛得到LiAlO₂‑LiMn_0.5Fe_0.5PO₄/C复合正极材料。本发明制备的锂离子电池复合正极材料的颗粒粒径均一、分散性好、结晶度高、结构稳定、致密，得到的材料具有纳米级的粒径和棒状的形貌，并且LiAlO₂在充放电过程中有效地抑制了电极与电解液界面之间的阻抗增加，均有利于提高材料的电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着全球人口的不断增长，人类生活所消耗的能源不断增多，预测到2100年全球的能源消耗将会是现在的三倍。因此，大量的化石燃料如石油、煤和天然气等被不断开采利用，不仅导致化石能源日益枯竭，而且严重地破坏了环境和生态。为了维持人类社会的可持续发展，使得世界各国致力于新能源和相关技术的科研开发。其中，二次电池高效、清洁无污染，将其作为内燃机车辆的动力或者辅助电源，可以有效的降低燃料的消耗。相比于传统的铅蓄电池和镍金属氢电池，锂离子电池在循环寿命、能量密度、功率密度和环境友好性能上优势明显。虽然，在能量密度上与燃料电池有一定差距，但是燃料电池高昂的制造成本以及复杂的生产工艺使其实现商业化难度很大。因此，锂离子电池是未来电动汽车以及混合动力电池的理想动力电源。

由于铁的资源丰富且价格低廉无毒，因此LiFePO₄正极材料被科学家研究得最为广泛，并已经得到大量商品化。LiFePO₄的理论比容量高达170mAh·g^-1，能量密度为550Wh·Kg^-1，具有良好的循环性能和安全性能，而成为动力锂离子电池首选的正极材料。但磷酸铁锂也存在不容忽视的根本性缺陷，归结起来主要有以下几点：(1)在磷酸铁锂制备时的烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下存在被还原成单质铁的可能性。单质铁会引起电池的微短路，是电池中最忌讳的物质；(2)磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低。低温性能较差，即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题；(3)材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差。因此，很有必要开发新型的磷酸盐正极材料。同LiFePO₄一样，LiMnPO₄也属于橄榄石型结构，其理论容量为171mAh·g^-1，工作平台在4.1V(vs.Li⁺/Li)左右，处于目前商业化的电解液稳定区，其能量密度为701Wh·Kg^-1，比LiFePO₄高20％。另外，锰的储存丰富，因此LiMnPO₄的原材料成本低廉，并且LiMnPO₄的合成条件没有LiFePO₄那么苛刻，所以越来越多的科研人员开始把注意力放在了LiMnPO₄上。但是LiMnPO₄的电子电导率和锂离子扩散系数很低，导致材料的电化学性能不能很好地发挥出来，而限制了其商业化应用。

发明内容