[发明专利]一种复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，该复合材料包括活性材料LiMn_xFe_1‑xPO₄/LiFePO₄和氮掺杂碳包覆层；其中，LiMn_xFe_1‑xPO₄的颗粒粒径为100～300nm，LiFePO₄的颗粒粒径为500～2000nm。先以沉淀法分别制备磷酸锰铁和磷酸铁，再以此为前驱体制备磷酸锰铁锂和磷酸铁锂，在此过程中通过砂磨条件和烧结条件控制其粒径大小；再进行二次砂磨，在此过程中加入含氮有机物，一方面使磷酸锰铁锂分散均匀，使磷酸锰铁锂和磷酸铁锂互相填充，增加复合材料的压实密度，另一方面使含氮有机物均匀包覆于材料表面，修复材料在粉碎和砂磨过程中剥离的表面，同时提高复合材料的比容量和倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法。

背景技术

正极材料作为锂离子电池尤其是动力电池的关键，决定着锂离子电池的基本性能，如能量密度、循环性能、安全性能、成本等。常见的锂离子正极材料有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸铁锂。其中，钴酸锂中，因为钴有毒、资源有限、成本较高、热稳定性和安全性差等因素，一般不用于动力电池；锰酸锂循环性能和热稳定性较差，很少用于动力电池；镍钴锰三元材料作为动力电池有力竞争者，具有高能量密度的优势，但是其含有钴镍等稀缺资源，生产成本较高，热稳定性和安全性较差。磷酸铁锂不含有毒元素和稀缺资源，具有生产成本低、循环性能好，安全性能高，无毒无污染等优点，广泛应用于锂离子电池的各个领域，在动力电池占据一席之地。

磷酸铁锂属于橄榄石结构，Pnma空间群。锂离子只能延[010]方向的一维通道迁移，锂离子扩散系数和电子电导率较低，一般为10^-14cm²/s和10^-9S/cm，为了解决锂离子扩散系数低的问题，通常采用掺杂和纳米化的方法，为了解决电子电导率低的问题，通常采用碳、金属或金属氧化物进行包覆。因为磷酸铁锂通常制备成微纳米颗粒，压实密度较低，一般为2.2～2.6g/cm³之间，另外，磷酸铁锂的平台电位较低，约3.4V，因此，磷酸铁锂电池能力密度不高。

磷酸锰锂具有与磷酸铁锂相似的晶体结构，平台电位3.4V，理论克容量170mAh/g，质量比能量比磷酸铁锂提升20％左右，但是其离子扩散系数和电子导电性比磷酸铁锂低2～3个数量级，通常需要将一次颗粒制备得更加细小和更高的比表面积，才能让其充分放出容量，细小的一次颗粒不利于颗粒的堆积，压实密度偏低。磷酸锰铁锂是磷酸铁锂和磷酸锰锂二元体系的无限固溶体，该固溶体能够有效提高磷酸锰锂的离子扩散系数和电子导电性，从而提升材料的电化学性能。

中国专利文献CN10924439A公开了一种氮掺杂碳包覆磷酸锰铁锂材料及其制备方法，通过在磷酸锰铁锂的外层包覆氮碳球形壳结构，以提高材料的导电性和电容量，将其用于锂电池的正极材料时，具有耐低温性能好的优点。然而，由于磷酸锰铁锂本身具有压实密度低的缺点，通过该技术方案获得的材料的压实密度仍然较低，不足以满足实际应用的需求。

本领域技术人员致力于开发新的材料和制备工艺，以获得压实密度、充放电容量、导电性等综合性能优良的磷酸锰铁锂材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料及其制备方法，该复合材料包括由磷酸锰铁锂与磷酸铁锂组成的活性材料，并具有氮掺杂碳包覆层。该复合材料兼具高压实密度和高比容量，综合性能优良。

为此，本发明的第一方面提供了一种复合材料，其包括活性材料和包覆层，