[发明专利]一种镁掺杂磷酸锰锂/碳复合纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，特别涉及一种镁掺杂磷酸锰锂/碳复合纳米纤维的制备方法。

背景技术

锂离子电池自1991年商品化以来，由于其具有可逆充放电容量高、循环寿命长、工作电压高和自放电率低等诸多优异性能，在小容量二次电池市场上占据主导地位，广泛应用于移动电话、笔记本电脑和电动工具等新兴的高技术便携式电子设备，并在国防工业、电动汽车、空间技术等领域具有广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益。但目前商品化的锂离子电池正极材料主要为层状LiCoO₂和尖晶石结构的LiMn₂O₄等过渡金属氧化物，由于过渡金属氧化物较差的热稳定性，易导致高充电状态下的正极材料在热失控时分解并释放氧气，导致有机电解液的燃烧，从而造成安全隐患。虽然过渡金属氧化物正极材料通过掺杂、表面修饰等方法来优化制备工艺，已在一定程度上提高了电池的安全性能和电化学性能，但过渡金属自身结构的热不稳定性所带来的安全隐患却难以从根本上消除，限制了锂离子电池的应用范围。

与过渡金属氧化物相比，聚阴离子型化合物正极材料具有结构稳定、热稳定性和安全性能优异等优点，因此，自1997年Goodenough研究小组发现新型聚阴离子型锂离子电池正极材料橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO₄）以来，聚阴离子型化合物正极材料成为锂离子电池研究的新热点。由于LiFePO₄具有较高的理论容量（170mAh/g）、优异的循环性能和安全性能、原料成本低等优点，近年来受到了广泛的研究，被认为是最有发展前景的锂离子动力正极材料之一。但LiFePO₄正极材料的放电平台只有3.4V(vs. Li⁺/Li)，导致其能量密度偏低，影响其实际应用。另一种具有橄榄石型结构的磷酸锰锂（LiMnPO₄）却具有高达4.1V（vs. Li⁺/Li）的放电平台，并具有高达170mAh/g的理论容量，因而其理论能量密度比LiFePO₄高出20%以上，同时，LiMnPO₄具有与LiFePO₄相同的优点，即原料成本低和安全性能好，因此，LiMnPO₄锂离子电池正极材料具有更大的应用潜力。

但LiMnPO₄作为一种聚阴离子型化合物，具有聚阴离子化合物共同的缺点，即导电性能差，其极低的电子电导率(～10^-10 Scm^-1)和锂离子扩散速率导致实际电化学性能较差，因此，提高LiMnPO₄锂离子电池正极材料电化学性能的关键是提高其电子电导率和离子电导率。现有的公开报道表明，提高材料的电子电导率或离子电导率均可有效改善LiMnPO₄的电化学性能。如，公告号为CN101673821B、CN102263263A、CN101673819B和CN101320809B等发明公开的磷酸锰锂/碳复合材料制备技术，均在制备磷酸锰锂的过程中引入高电子电导率的碳，提高材料的导电率，从而获得电化学性能较好的磷酸锰锂/碳复合正极材料，但采用上述技术制备的材料为尺寸较大的颗粒状LiMnPO₄活性材料，未能显著提高锂离子在LiMnPO₄固体中的扩散速率，导致LiMnPO₄的电化学性能，尤其是大电流性能，仍然不理想。另外，Jahn-Teller效应的存在影响LiMnPO₄的循环性能，因此，通过在Mn位掺杂适当量的异种离子（如Zn²⁺、Fe²⁺、Mg²⁺等），将会降低Mn的含量，提高循环性能，从而提高LiMnPO₄的电化学性能。因此，结合上述方法的优点，通过同时提高LiMnPO₄的电子导电率、离子导电率和适当降低Mn的含量，将会显著提高LiMnPO₄的电化学性能，但关于这方面的研究和应用却很少。

发明内容

本发明的目的在于解决现有磷酸锰锂正极材料存在的实际容量偏低、循环性能较差的问题，提供一种镁掺杂磷酸锰锂/碳复合纳米纤维的制备方法。