[发明专利]单分散磷酸铁锂纳米材料的制备方法及其锂离子二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸盐型锂离子电池正极纳米材料的液相合成及基于该材料的高 性能锂离子电池。

背景技术

随着能源的逐渐枯竭以及环境恶化问题的不断升级，人们对于新型绿色高效能源的 需求日益迫切。锂离子电池作为具有强大竞争优势的新能源受到了格外的重视，除了在 现有的小型便携式电池中的广泛应用外，锂离子电池在大功率、高能量的动力电池中的 发展前景更是让人期待。与传统的铅蓄电池，Ni-Cd电池，Ni-H等电池相比，锂离子电 池具有能量密度大，平均输出电压高，输出功率大，循环性能好，使用寿命长，工 作温度范围宽(-20～60℃)，自放电小，没有记忆效应，可快速充放电，没有环境 污染等众多优点，被称为绿色电池。其中以LiCoO₂、LiNiO₂为代表的α-NaFeO₂型结 构材料作为锂离子电池正极材料是商品化比较早的材料，虽然它们具有比较高的 理论容量(274mAh/g)和好的循环性能，但是它们的实际容量却比较低(140mAh/g)， 充放电过程中的结构不稳定性使它们具有很大的安全隐患，此外它们的价格也比 较贵。LiMn₂O₄虽然比上述材料的安全性好，成本低，但它的容量发挥和循环都比 较差，这使得它的应用受到了限制。电极材料是影响锂离子电池性能的关键因素。研 究发现，磷酸铁锂材料工作电压适中(3.4V)、平台好，理论容量高170mAh/g(实际容 量也能接近理论容量)，循环性能优越，成本很低，它的高能量密度和高安全性能使其 在在动力锂离子电池中具有突出应用前景，不足之处是它的导电性差和锂离子扩散速度 慢，研究发现可以通过碳材料、导电高分子包覆、金属离子掺杂等手段提高其导电性， 但要提高其锂离子扩散速度则需要将材料纳米化以此缩短锂离子扩散通道，从而提高倍 率性能。例如：Dong-Han Kim等液相法合成的磷酸铁锂纳米材料60C放电比容量仍保持 80mAh/g(Electrochemical and Solid-State Letters.2006，9，439.)；Hao-Shen Zhou 等先利用苯胺液相原位聚合控制合成纳米前驱体，再经过煅烧得到的磷酸铁锂纳米材料 60C放电比容量已经达到90mAh/g(Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，7461.)，Yu-Guo Guo等利用溶胶-凝胶法制备的碳矩阵纳米孔镶嵌磷酸铁锂纳米颗粒复合材料的倍率性 能已经可以达到230C(Adv.Mater.2009，21，2710.)，而Gerbrand Ceder等利用固 相法合成的具有特殊表面改性的磷酸铁锂纳米材料的倍率性能可以高达400C(Nature， 2009，458，190.)，综上所述，为满足动力锂离子电池对能量密度和功率密度的双重 高要求，磷酸铁锂材料纳米化是一个提高其倍率性能的重要手段。在众多磷酸铁锂制备 方法中，水热/溶剂热法是一种非常重要的方法，由于使用可溶性的物料为反应物使得 合成过程中离子间可以均匀混合，从而得到比较好的晶型和很纯的物相，自从Shou-Feng Yang等第一次通过水热法合成磷酸铁锂材料以来(Electrochemistry Communications， 2001，3，205.)，水热/溶剂热法制备磷酸铁锂材料得到了广泛的研究，但要通过溶剂 热法合成出大量的纳米级磷酸铁锂材料来却一直是个难于解决的问题！

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种单分散纳米磷酸铁锂 正极活性材料的溶剂热制备方法，以及基于此正极材料的高性能锂离子二次电池。它采 用水热/溶剂热法，使用可溶性的物料为反应物使得合成过程中离子间可以均匀混合， 从而得到比较好的晶型和很纯的物相，进一步提高电池的性能。