[发明专利]碳处理的正极材料以及它的制备方法

说明书

技术领域

本发明与电池正极材料有关，特别的，与使用在电动工具、消费性电子、电动车的锂离子电池的正极材料有关，例如磷酸亚铁锂(化学式：LiFePO₄)。

背景技术

锂离子电池是指其中的锂离子(Li⁺)嵌入和脱嵌正负极材料的一种可充放电的电池，其正极一般采用嵌锂化合物，如层状晶体结构的钴酸锂(LiCoO₂)、镍酸锂(LiNiO₂)与尖晶石晶体结构的锰酸锂(LiMn₂O₄)。充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入到负极，同时电子的补偿电荷从外部电路供给到负极；放电时则相反，Li⁺从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极材料。

美国专利号US 6,855,273揭示了一种以碳包覆如LiFePO4等的碱过渡金属复合氧化物材料与制备方法，所述制备方法是在合成LiFePO4等碱过渡金属复合氧化物材料的过程中或合成后将碳材料热解沉积在材料表面形成非粉状的包覆层。虽然通过这种方法可以显著提升的LiFePO4等材料的导电性，但前述的制备方法昂贵、易产生杂质、质量容易退化，且对纳米级的粉体包覆效果有限。 

发明内容

一方面，本发明提供一种正极材料，包括经过碳包覆的正极材料，其中，被碳包覆后的正极材料的颗粒尺寸与未被碳包覆后的正极材料的颗粒尺寸之间比为１.01-1.5:1。优选的，比例为１.01-1.3:1；更优选的，比例为１.01-1.2:１；更优选的，1.01-1.1:1。本发明理论上算起来约增加1-2%的尺寸，但随著碳增多，一般可增加至10%的尺寸，而最多可增加至约30 - 50%，此时仍可维持全纳米尺寸。

在一些优选的方式中，被碳包覆前和被碳包覆后的颗粒形状不发生变化。在另一个优选的方式中，被碳包覆前和被碳包覆后的颗粒形状都为圆球形状。

另一方面，本发明提供一种以碳包覆正极材料（例如纳米级材料），例如磷酸亚铁锂材料的制备方法，使碳包覆过程中磷酸亚铁锂粉体不发生团聚现象，碳包覆后的体积仅小幅度增加，可进一步使级磷酸亚铁锂材料在碳包覆后仍能维持纳米级尺寸。此方法解决了传统方法中，特别针对纳米级磷酸亚铁锂的碳包覆后发生团聚、体积大幅增加、比表面积下降，甚至退化为微米级尺寸的技术问题。

在一些方式中，该方法包括：提供正极材料纳米颗粒；在正极材料颗粒上包覆碳层。优选的， 该方法还包括：混合和／或研磨步骤（1）、让碳源化合物，在摄氏小于或等于0℃的温度下与纳米颗粒混合。优选的，混合的温度为-３0℃-0℃。优选的，在混合前先进行研磨，让碳源化合物的颗粒在5微米(μm)以下，一般最小可至1微米(μm)；同时研磨的温度也在0℃度以下。在此温度下，碳源化合物保持干燥度与硬度，将碳源化合物研磨主要为使碳源化合物的颗粒变细，较易与磷酸亚铁锂粉体均匀混合。 

在一些具体的实施方式中，在低温混合步骤（1）后，对混合物进行加热。在一个具体的方式中，加热的步骤为：步骤（2）、在真空环境中加热至300℃以上，经2到8小时加热。通过该步骤可以除去碳化合物中的水份及其他液气体杂质，使碳化合物呈液态或凝胶态。优选的温度为300℃。此步骤为除去碳化合物中的杂质如水份，使磷酸亚铁锂在碳包覆烧结步骤中不与杂质反应，降低纯度。

在另一些具体的方式中，在步骤（2）后还包括碳包覆烧结步骤（3）：在压力的范围在400-500千帕(KPa)的惰性气体(如氮气或氩气)中，以摄氏500至1000度烧结4至24小时，使碳源化合物汽化，让其包覆在磷酸亚铁锂晶体的表面。以400-500千帕的压力为使汽化后的碳仍留在烧结设备中，附着在磷酸亚铁锂粉体表面而不逸失，冷却后变为固态的碳包覆在磷酸亚铁锂表面。

在另一些具体的方式中，烧结步骤后还包括研磨步骤：例如将冷却后的正极材料粉体球磨，使团聚、结块的颗粒分散。