[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，具体是指一种锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

磷酸铁锂(LiFePO₄)是一种橄榄石型晶态结构的锂离子电池正极材料，具有充放电比容量大、循环寿命长、安全性能好、价廉、无毒无污染等突出优点，被认为是继LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄之后的最有发展潜力的锂离子电池正极材料，具有广泛的应用前景。 

然而，磷酸铁锂也还存在着一些显著的缺点，主要是其锂离子的迁移速率和电子传导率都较低，充放电过程受Li⁺在LiFePO₄-FePO₄两相之间的扩散速度所控制，合成时其晶粒生长水平不易控制，因而极大地限制了它的实际应用。因此，迄今为止的研究主要是集中在提高其离子电导率和电子电导率两个方面：一方面是通过控制材料合成过程中材料晶粒的生长，来获得细小而粒度均一的材料，从而减少锂离子在其中的迁移路径，达到提高锂离子迁移速率的目的；另一方面是在合成过程中通过非晶相掺杂的方法，在晶粒之间引入导电剂(如导电碳黑)或者是采用晶相掺杂的方法在晶体内部引入其它金属杂原子，来提高材料的电子导电率。如Yang Shou feng等人[Electrochemistry Communications，505～508(3)，2001]采用的水热合成法、Park等人[Electrochemistry Communnications，839～842(5)，2003]采用的液相共沉淀法、Croce F等人[Electrochemical and Solid State Letters，A47～A50(5)，2002]采用的溶胶-凝胶法等，分别合成了粒度较均一、细小的磷酸铁锂材料，提高了材料的电化学性能。G.Li and A.Yamada [WO 00/60679(2000)]报道了在制备LiFePO₄时用添加碳黑的方法来合成LiFePO₄/C复合材料，从而改善了该材料的导电性能；F.Croce等人[Electrochemical and Solid State Letters 5(3)，2002]报道了在合成LiFePO₄ 时用直接掺杂金属铜或金属银粉的方法来增强材料的电子导电性；而Atsuo Yamada等人[Journal of The Electrochemical Society，148(8)，2001]则通过掺杂过渡金属元素锰的方法来合成Li(Mn_yFe_1-y)PO₄，来改善材料的电化学性能。用上述方法所合成的磷酸铁(II)锂复合材料，虽然其电化学性能有一定的改善，但还存在下述问题： 

1、采用水热合成法、液相共沉淀法、溶胶-凝胶法等合成方法虽然能合成粒度较均一、粒径较细小的LiFePO₄材料粉体，缩短了Li+的扩散路径，但对材料导电性能的改善却不明显，而且上述方法还存在对设备要求高或工艺较复杂等缺点，不易进行产业化生产。 

2、采用单纯掺杂碳的方法，碳黑用量较多，由于碳黑的密度比LiFePO₄ 的要小得多，从而会明显地降低材料的真密度，从而也降低了材料的体积比能量和体积比功率； 

3、直接掺杂金属粉末方法的工艺过程易发生金属粉末沉降，金属粉末出现一个自上而下的浓度梯度，使金属粉末在LiFePO₄材料中的分布不均匀，从而影响了材料的电性能； 

4、掺杂过渡金属(M)元素如锰或钴等所生成的Li(M_nyFe_1-y)PO₄，会使材料晶体结构的稳定性降低，从而也影响材料的电性能。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种锂离子电池正极材料及其制备方法。本发明以轻重稀土元素M为晶相为掺杂剂，采用非晶相-晶相共掺杂的方法，通过高温固相反应来合成改性正极材料，能有效地控制复合掺杂改性正极材料的化学成分、结构以及颗粒粒径的大小，提高材料的电子导电率和锂离子扩散速率，改善材料的电化学性能；同时也简化了材料的合成工艺，便于进行工业化大生产。