[发明专利]一种磷酸铁锰锂正极材料及其制备方法、锂离子电池和用电设备

说明书

本发明涉及二次电池材料技术领域，具体而言，涉及一种磷酸铁锰锂正极材料及其制备方法、锂离子电池和用电设备。该制备方法采用共沉淀的制备方法，实现磷酸锰铁锂在碳纳米管上原位生长，碳纳米管紧密与活性材料接触并嵌入其中相互联结，构成具有独特的碳纳米管串联磷酸锰铁锂球，形成三维导电网络，提高磷酸铁锰锂材料的导电性能。

技术领域

本发明涉及二次电池材料技术领域，具体而言，涉及一种磷酸铁锰锂正极材料及其制备方法、锂离子电池和用电设备。

背景技术

随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，近年来，太阳能、风能、地热能等可再生能源的收集和转化受到越来越多的研究人员的关注。锂离子电池作为一种储能设备，自1991年被商业化以来，已经被广泛应用于手机、笔记本电脑、相机等便携式电子产品中。现在，它在大型储能电站、新能源汽车等方面有着更广阔的应用前景。

虽然锂离子电池在30多年的发展中已经取得了长足的进步，但目前的能量和功率密度仍然不能满足电动汽车对续航里程和充电速度的要求。因此，为了满足日益增长的需求，迫切需要开发具有优良能量密度和高倍率能力的强大锂离子电池。

正极材料是制约高性能电池发展的核心因素，在电池的成本、重量、体积等方面都占有相当大的比重。在各种锂离子电池正极材料中，成本低、安全性高的橄榄石型磷酸铁锂材料被认为是最具竞争力的材料之一。然而，随着人们对锂离子电池的续航里程提出更高的要求，LiFePO₄的能量密度(578Wh/kg)已经不能满足需求，因为工作电压(3.4V vs.Li/Li⁺)和理论容量(170mAh/g)都不能令人满意。另一种橄榄石型正极LiMnPO₄与LiFePO₄具有相同的理论容量，但工作电压更高，为4.1V。LiMnPO₄的理论能量密度约为700Wh/kg，比LiFePO₄提高了21％。然而，LiMnPO₄在循环过程中导电性极差，结构不稳定，导致容量保持较低。因此，结合LiFePO₄和LiMnPO₄的特性，通过在过渡金属Fe²⁺位点置换Mn²⁺(与Fe²⁺半径相似)形成LiMn_xFe_1-xPO₄(LMFP)固溶体，引起了世界范围内的广泛关注。

LMFP正极虽然具有上述优点，但在电动汽车上大规模应用时仍存在一些有待解决的问题。其中比较明显的问题之一是受电子输运和离子扩散速率的限制导致LMFP的倍率性能和低温性能较差。LMFP是一种电导率极低的化合物。原因在于M(M＝Fe,Mn)-O八面体被P-O四面体孤立，晶体结构中不形成连续的M-O网络。此外，一维的Li⁺扩散通道导致LMFP的离子扩散系数较低。PO₄^3-中较强的P-O共价键稳定了氧原子，保证了Li⁺可以被提取/嵌入到稳定的晶体结构中，因此橄榄石型正极材料表现出良好的安全性和循环稳定性。然而，强的P-O共价键也阻止了Li⁺通过PO₄^3-四面体，Li⁺的输运只能沿b轴进行一维扩散，这降低了Li⁺的扩散速率，导致电导率较差。因此，提高LMFP正极材料的速率性能是其应用中必须面对的关键问题。