[发明专利]一种高功率型磷酸铁锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种具有优异功率性能的碳包覆锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

由于其安全性和循环寿命等表现优异，磷酸铁锂电池将在未来的动力电池市场占据主导地位。但是磷酸铁锂较差的电子导率（～10^-9S/cm）及离子导率，使得磷酸铁锂性能的发挥只有理论容量的30％-40％。为了提高磷酸铁锂的电性能，特别是功率性能，许多研究工作都已经展开多种改性方法来克服这一缺点。

从已有的大量研究看，碳包覆方法对LiFePO₄/C性能有很大影响。常用的有两种包覆方法：一种是原位碳包覆，另一种是合成后的碳包覆。原位碳包覆具有造孔作用，还可以有效控制产物形貌和尺寸，避免LiFePO₄团聚形成大颗粒，可以提高颗粒之间的电子导电性；合成后的碳包覆，控制LiFePO₄的分散状态及尺寸，最终能够得到充放电容量均较高的LiFePO₄/C复合正极材料。

申请号为201210066839.6的专利申请公开了一种锂离子电池用LiFePO₄/CNT复合正极材料的制备方法，按质量比1：10～1：100称取催化剂和磷酸亚铁锂粉末，加入到无水乙醇或蒸馏水中，研磨搅拌或者超声混合，60～80℃烘干制得负载催化剂的磷酸亚铁锂载体；将管式炉升温至催化反应温度600～850℃，通入还原气体，注入液相碳源到管式炉中，在惰性气氛保护下，最后得到磷酸亚铁锂与碳纳米管复合材料。

申请号为201210383927.9的专利申请公开了一种以抗坏血酸为还原剂和碳源来制备锂离子电池正极材料碳包覆磷酸铁锂的方法，该方法以FeSO₄、H₃PO₄和LiOH为原料，适量抗坏血酸为碳源，原料用酒精分散后，球磨混合均匀，100℃真空干燥至得到黑色粉末；惰性气氛保护下，将步骤（2）得到的LiFePO₄/C前躯体焙烧，得到LiFePO4/C正极材料。

授权号为CN101572305B的专利公开了二茂铁在制备具有稳定低温性能的纳米磷酸亚铁锂/碳复合物的作用。该发明是将含三价铁的铁源、锂源、磷源、碳源和二茂铁按一定比例混合、球磨、烘干、在惰性气氛下煅烧，得到磷酸亚铁锂/碳复合物。其碳层石黑化即SP²/SP³比值较高，制得的磷酸铁锂材料有较高的电子导电率，可大幅提高材料的大倍率放电性能，但该工艺做出材料的形貌不够规整。

而使用更为廉价的含二价铁的铁源，并在催化剂作用下制备磷酸铁锂正极材料，由于不存在碳热还原的碳源消耗，使得工艺简单，成本低廉，产品倍率性能优异并且可靠稳定，将会在功率型锂离子电池正极材料制备方面起到巨大推进作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有优异功率性能的碳包覆锂离子电池正极材料及其制备方法。该方案可以提高石墨化的程度，提高磷酸铁锂材料的电导率和倍率性能。

本发明的高功率型磷酸铁锂正极材料，其制备方法包括如下步骤：

1）将锂源、铁源和磷源按照Li:Fe:P=1～1.2:1:1～1.05的摩尔比例加入到溶剂中充分混合，经过干燥和破碎后在惰性气氛下进行烧结，得到未包覆碳的磷酸铁锂；

2）按质量比100:1～2称取未包覆碳的磷酸铁锂和催化剂，将未包覆碳的磷酸铁锂、碳源和催化剂加入到溶剂中充分混合，然后进行干燥和破碎处理；

3）将含有碳源及催化剂的未包覆碳的磷酸铁锂在惰性气氛下进行烧结，经破碎分级后得到高功率型磷酸铁锂正极材料LiFePO₄/C。

步骤1）中，所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂、无水醋酸锂中的一种或多种；铁源为二水合草酸亚铁，三氧化二铁、醋酸亚铁中的一种或多种；磷源为磷酸二氢铵、磷酸、磷酸氢二铵中的一种或多种。混料所用溶剂为去离子水、乙醇、丙酮中的一种或多种；所述的干燥条件为90～150℃下处理1～5小时；所述的惰性气氛为氮气、氩气中的一种或两种，烧结的条件为500～750℃下处理5～10小时。

步骤1）中，铁源可以部分被锰源代替，具体摩尔比例为：Fe：Mn=x：（1-x），其中x=0～1，锰源可以为草酸亚锰、碳酸锰、醋酸锰中的一种或多种，最终制备的材料为磷酸锰铁锂正极材料LiFe_XMn_1-XPO₄/C。铁源部分被锰源代替可以提高材料的功率密度。