[发明专利]钛、锆共掺杂碳包覆磷酸铁锂材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种钛、锆共掺杂碳包覆磷酸铁锂材料及其制备方法及应用，该材料的化学表达式为Li_1‑yZr_yFe_1‑xTi_xPO₄/C，其中钛掺杂到Fe位，锆掺杂到Li位，且0.001≤x≤0.05，0.001≤y≤0.02；其制备方法是将磷酸铁、碳酸锂、碳源、钛源和锆源在液相介质中进行混合，混合料经过球磨和砂磨至一定浆料粒径之后采用喷雾干燥技术进行造粒，最后将干燥的喷雾料在气氛炉中烧结制得。该材料作为正极材料应用于锂离子电池。本发明通过向碳包覆的磷酸铁锂中掺入钛和锆元素，有效地增强了磷酸铁锂的离子和电子传输能力，提高了该材料的压实密度,非常适用于作为高能量和高功率密度锂离子动力电池正极材料。

技术领域

本发明属于新能源材料及其制备技术领域，具体涉及一种钛、锆共掺杂碳包覆磷酸铁锂材料及其制备方法，该材料可作为高性能正极材料在锂离子动力电池中应用。

背景技术

1997年，J. Goodenough等人报道了磷酸铁锂(LiFePO₄)可用作锂离子电池正极材料，该项研究在学术界引起了极大的轰动，同时开启了LiFePO₄的产业化发展历程。由于其具有循环寿命长、安全性高和低成本等优势，LiFePO₄已经迅速发展成为一种十分重要的锂离子电池正极材料，以该材料为正极材料的锂离子电池已经被广泛应用到包括便携式电子设备、汽车、船舶和储能在内的领域。近年来，随着我国新能源汽车产业的快速发展，锂离子动力电池的需求量不断增加，其中以LiFePO₄为正极材料的动力电池的装机量占比逐步增加，由此导致LiFePO₄正极材料市场呈现出快速增长的势头。

然而，和其它正极材料尤其是三元正极材料相比，LiFePO₄的比容量和压实密度仍然偏低，同时较低的离子和电子导电率致使该材料的大电流充放电能力较差。以上这些缺陷严重限制了LiFePO₄能量密度和功率密度的提升。为了提高LiFePO₄的电化学性能和压实密度，研究者多采用形貌尺寸控制、碳包覆和离子掺杂等技术手段来克服该材料固有的缺陷。金属离子掺杂是提高LiFePO₄电化学性能的重要方法，如在该材料Fe位掺杂钛离子可以有效增强其锂离子和电子传输能力[J. Power Sources，189（2009）440；J. Electrochem.Soc.，160（2013）A3148；CN108598383A；CN111498825A]。然而，钛离子掺杂对LiFePO₄材料压实密度的提升效果不是太显著。近年来，相关研究表明锆离子可以掺入LiFePO₄材料的Li位[J. Alloys Compd.，739（2018）529；J. Electrochem. Soc.，166（2019）A410；CN108682833B]，该掺杂不仅能够调节LiFePO₄材料的粒径和形貌，而且可以优化碳的包覆效果、使碳材料和LiFePO₄之间的作用更加紧密。因此，锆离子掺杂可以实现提升LiFePO₄材料压实密度的目的。

综上所述，若能实现钛离子和锆离子对LiFePO₄材料进行协同掺杂，则有可能克服该材料的固有缺陷，有效提升其本征电导率和压实密度，实现其能量密度和功率密度的显著提升。

因此，研发出一种具有钛、锆共掺杂碳包覆磷酸铁锂材料是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的缺陷和改进需求，而提出一种通过向LiFePO₄材料的Fe位和Li位分别掺入金属钛离子和锆离子，通过钛离子和锆离子的协同掺杂能有效地提高LiFePO₄材料的电化学性能和压实密度而得到具有高能量密度和高功率密度的钛、锆共掺杂碳包覆磷酸铁锂材料及其制备方法及其应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：