[发明专利]磷酸铁锂复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种磷酸铁锂复合正极材料，包括磷酸铁锂复合纳米颗粒和包裹在所述磷酸铁锂复合纳米颗粒表面的碳包覆层；所述磷酸铁锂复合纳米颗粒中均匀分布有掺杂金属元素，所述掺杂金属元素包括铝、镁、铬、锆、钒和钴中的一种或多种；所述磷酸铁锂复合正极材料中，碳元素的质量百分比含量为0.5％‑4.0％，所述磷酸铁锂复合正极材料的粒径为50nm‑120nm。该磷酸铁锂复合正极材料可以大大提升锂离子的扩散能力，降低充放电过程中锂离子的浓差极化，具有突出的倍率性能。本发明还提供了磷酸铁锂复合正极材料的制备方法和应用。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种磷酸铁锂复合正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

在资源匮乏及节能减排的国际背景下，锂离子电池由于其较高的体积能量密度、质量能量密度以及优异的循环性能，被当今国际上公认为理想的能量储存和输出电源，在各个领域日益显示出重要作用。作为锂离子电池的重要组成部分，锂电池的正极材料的性能直接影响了锂电池的各项性能指标，占据锂离子电池的核心地位。目前，市场上存在的锂离子电池的正极材料有很多种，其中，磷酸铁锂(LFP)材料由于具有良好的化学稳定性和结构稳定性，因而表现出良好的安全性能和循环稳定性能，也逐渐发展为动力电池市场的主要正极材料之一。

然而随着新能源汽车市场对电动汽车续航能力的要求越来越高，对磷酸铁锂正极材料的要求也越高。橄榄石结构的磷酸铁锂材料由于自身导电性和锂离子扩散能力欠佳，因而在大电流充放电过程中极化严重，容量保持率较低，倍率性较差。通过表面碳包覆可以有效提高材料的电子电导，将电阻率从～10⁹Ω·cm降到10Ω·cm以下，但其锂离子扩散能力依然较差，严重影响磷酸铁锂材料倍率性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种磷酸铁锂复合正极材料，该磷酸铁锂复合正极材料可以大大提升锂离子的扩散能力，降低充放电过程中锂离子的浓差极化，具有突出的倍率性能。本发明还提供了磷酸铁锂复合正极材料的制备方法和应用。

具体地，第一方面，本发明提供了一种磷酸铁锂复合正极材料，包括磷酸铁锂复合纳米颗粒和包裹在所述磷酸铁锂复合纳米颗粒表面的碳包覆层；所述磷酸铁锂复合纳米颗粒和所述碳包覆层中分别均匀分布有掺杂金属元素，所述掺杂金属元素包括铝、镁、铬、锆、钒和钴中的一种或多种；所述磷酸铁锂复合正极材料中，碳元素的质量百分比含量为0.5％-4.0％，所述磷酸铁锂复合正极材料的粒径为50nm-120nm。

本发明所述磷酸铁锂复合正极材料为纳米级，所述碳包覆层覆盖所述磷酸铁锂复合纳米颗粒的整个表面。

可选地，所述碳包覆层的厚度为5-10nm。

可选地，所述碳包覆层包括依次包覆在所述磷酸铁锂复合纳米颗粒表面上的石墨化碳层和无定型碳层。其中，所述石墨化碳层包裹致密，是碳层经石墨化得到的；所述无定型碳层为具有一定的多孔结构的碳层。

本发明所述碳包覆层具有很大的厚度以及很高的完整度，所述碳包覆层将纳米级的磷酸铁锂包裹起来，抑制其颗粒长大，使磷酸铁锂复合正极材料的粒径为纳米级；同时，较高厚度和完整度的所述碳包覆层可以有效防止磷酸铁锂裸露出来，且保持相邻两个磷酸铁锂复合正极材料中磷酸铁锂复合纳米颗粒之间处于隔离状态。本发明所述同时含有石墨化碳层和无定型碳层的碳包覆层，可以大大提升磷酸铁锂复合正极材料中离子、电子的传输速率。

可选地，所述碳包覆层中，所述石墨化碳层和所述无定型碳层的质量比为1：(0.5-3)。

例如，本发明一实施方式中，所述碳包覆层中，所述石墨化碳层和所述无定型碳层的质量比为1：1。

进一步地，可选地，所述碳包覆层中，所述石墨化碳层和所述无定型碳层的厚度比为1：(2-5)。

可选地，所述掺杂金属元素除了包括铝、镁、铬、锆、钒和钴中的一种或多种外，所述掺杂金属元素还可以为其他金属元素。