[发明专利]具有夹心结构的磷酸铁锂复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属材料技术领域，具体涉及一种具有三明治夹心结构的磷酸铁锂复合电极材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的不断发展，必然引起石油煤炭等自然资源的枯竭、环境污染及地球温室效应的加重。人类必须把握经济增长、环境保护和能源供给这三位一体的“三E”之间的平衡关系，科学系统地解决能源、环境和人类发展的重大问题。在能源问题和经济发展之间的矛盾越来越突出的背景下，新能源、节能技术及环保技术的综合高效开发和利用，已成为目前十分紧迫的课题。而锂离子电池作为新一代的绿色储能电池，具有工作电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽等众多优点，广泛地应用于移动电话、笔记本电脑等数码产品及各种电动工具等领域，其在电动车方面也具有良好的应用前景，被认为是本世纪对国民经济和人民生活具有重大意义的高新技术产品。众所周知，正极材料是锂离子电池的重要组成部分，在LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂、LiNi_xCo_yMn_zO₂、LiMPO₄(M=Fe, Mn) 等锂离子电池正极材料中，具有橄榄石结构的LiFePO₄由于具有原料丰富、成本低廉、环境友好、安全性高、比容量高、放电电压平台平稳、热稳定性和充放电循环性能优异等优点，而被认为是最具有商业化应用前景的正极材料。

然而橄榄石结构的LiFePO₄存在以下明显的缺点：1）晶体结构中由于磷酸根的存在，使得电极材料本身的电子导电性很低，导致其高倍率充放电时电化学性能不能满足人们的实际需要；2）锂离子在LiFePO₄材料中的扩散系数低，降低了电极活性物质的利用率；3）LiFePO₄电极材料易与水发生副反应生成无电化学活性的杂质，增加了贮存难度，严重降低了其比容量和可加工性，阻碍了其广泛应用。现有改进上述缺点的方法主要有: 1) 通过碳包覆或导电物质掺杂来提高LiFePO₄材料的导电率；2)通过减小LiFePO₄颗粒粒径来缩短锂离子在材料颗粒中的扩散距离，提高电极材料的利用率。

虽然现有提高锂离子电池正极材料LiFePO₄导电率的方法能极大程度上改善材料的导电性能，使之达到使用要求。但实际生产过程中，这些方法也存在诸多问题：1. 大量高比表面积导电材料的加入，使得电极材料在混浆过程中消耗大量的粘结剂，电极密度低；2. 纳米级粒径的LiFePO₄材料虽然缩短了锂离子在颗粒中的扩散距离，提高了电极材料的利用率，但在实际生产中采用有机体系涂膜工艺时，为提高材料的可加工性，降低粘结剂的使用量，提高电极密度，须引入造粒工艺，而这大大增加了LiFePO₄电极的制造成本；3.气相CVD法或溶胶凝胶法在材料表面包覆的疏松导电碳层，虽可以提高材料的导电性能，但不能阻止LiFePO₄与水接触所发生的副反应，不能阻止LiFePO₄正极材料在含水环境中电化学性能的大幅度降低，因此目前不宜采用水系涂膜工艺来制造高性能低成本的LiFePO₄电极。

为解决上述问题，本发明通过使用碳包覆法和导电玻璃层包覆法，在磷酸铁锂正极材料颗粒表面均匀的包覆一层导电性的FeN玻璃层和碳层，在提高磷酸铁锂材料导电性能的同时，阻止其本体与水接触，提高其在含水环境中的电化学性能、贮存性能和可加工性能，使其适宜于水系涂膜工艺进而制造高性能低成本的LiFePO₄电极。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在含水环境中具有较好电化学性能、贮存性能和可加工性能的磷酸铁锂复合电极材料及其制备方法，使其适用于水系涂膜工艺。