[发明专利]一种模板法制备的LiMnPO4/C锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于电化学能源领域，具体涉及一种模板法制备的LiMnPO₄/C锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池被广泛地应用于各种电子设备，如笔记本电脑、手机电池、数码相机、便携式照明设备等。同时，它也被用于电动工具、电动自行车和电动汽车。随着世界石油资源的逐渐消耗，以及社会对环境保护的要求逐渐提高，电动车得到了前所未有的发展机遇。以锂离子电池作为电动车电源，是电动车发展的方向。

在锂离子电池中，正极材料占有非常重要的地位，也是当前锂离子电池发展的重点。LiMnP0₄已经成为可充电锂离子电池正极材料的研究热点之一。相对于其它锂离子电池正极备选材料，LiMnPO₄具有自身的优点：（1）相对较高的理论容量（171mAh/g)；（2）平稳的充放电电压平台，使有机电解质在电池应用中更为安全；（3）很好的电极反应可逆性；（4）良好的化学稳定性与热稳定性；（5）廉价且易于制备；（6）无污染；（7）处理与操作更为安全。

到现在为止，已有不种方法合成不同形貌的LiMnPO₄纳米材料，如热液相溶液法、溶胶-凝胶法或喷雾热解法合成的纳米晶体，固相反应合成的纳米片和纳米颗粒，水热法合成的纳米片和纳米棒，溶剂热合成的纳米颗粒和纳米棒，以及多元醇回流合成的纳米棒、纳米颗粒和纳米片。

但是LiMnPO₄存在两个致命的缺陷：Li⁺在LiMnPO₄中扩散系数不大，在高倍率充放电时比容量明显衰竭；离子导电率和电子导电率均较低，只适合小电流充放电，从而阻碍了其产业化的进程。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有优良的电化学性能的模板法制备的LiMnPO₄/C锂离子电池正极材料及其制备方法，该制备方法具有反应简单，反应时间短，反应温度温和，制备的LiMnPO₄/C锂离子电池正极材料具有粒径小、形貌可控、结晶度良好与纯度高的优点。

本发明的LiMnPO₄/C锂离子电池正极材料是通过以Li₃PO₄为模板制备LiMnPO₄纳米颗粒，然后以含氮聚合物裂解碳包覆，得到LiMnPO₄/C锂离子电池正极材料，从而实现了本发明的目的。

本发明的LiMnPO₄/C锂离子电池正极材料是通过以下方法制备的，该方法包括以下步骤：

（a）Li₃PO₄模板的制备：将含有锂源化合物的水溶液与含有磷源化合物的水溶液按照Li⁺：PO₄^3-的物质的量之比3：1的比例混合，再按照表面活性剂：Li⁺的物质的量之比1：20的比例加入表面活性剂，混合搅拌均匀，然后在超声条件下使Li₃PO₄沉淀，过滤收集Li₃PO₄沉淀，先用水洗涤再用无水乙醇洗涤至洗涤液呈中性，由此得到洗涤后的Li₃PO₄沉淀，将洗涤后的Li₃PO₄沉淀在60℃～110℃温度下干燥2～12h得到Li₃PO₄，置于300℃～500℃空气气氛中焙烧1～3h后随炉缓慢冷却至室温，再研磨粉碎得到晶态的Li₃PO₄模板；

（b）将Li₃PO₄模板按照PO₄^3-：Mn²⁺的物质的量之比1：1的比例与含有锰源化合物的水溶液混合，按照表面活性剂：Li⁺的物质的量之比1：20的比例再加入表面活性剂，然后将此混合物按照混合物：有机溶剂体积比为1：3～1的比例加入到有机溶剂中，混合搅拌均匀形成混合反应体系，再通过氨水控制混合反应体系的pH值为4～8，然后超声处理，超声处理后的混合物密封于高压釜中，置于180℃～200℃下反应4～12h，然后自然冷却至室温，固液分离，收集固体，先后分别用水和无水乙醇洗涤干净，真空干燥后得到LiMnPO₄前驱体；