[发明专利]一种镱镁掺杂磷酸锰锂-碳复合正极材料的制备方法

说明书

所属技术领域

本发明涉一种镱镁掺杂磷酸锰锂-碳复合正极材料的制备方法。

背景技术

随着电池行业的迅速发展，为了解决电池的使用寿命、能量密度、自放电或者质量等诸多问题，出现了各种类型的电池。目前，由于锂电池具有能量密度高、使用寿命长、质量轻、自放电小等优点，现已经成为了通讯设备、笔记本电脑等便携式设备的首选电源，并且也开始应用到电动车、国防等中大型的设备中。

目前，锂离子电池正极材料主要有锂钴氧化物、锂锰氧化物、三元材料和过渡金属磷酸盐几种。锂钴氧化物最早作为电池正极材料获得商业使用，但是该材料的生产成本高，热稳定性能差，对环境污染较大，安全性能也不好，LiCoO₂正极材料无法满足电动汽车对动力电池的诸多要求。近年开发出来的磷酸铁锂正极材料以其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能和高倍率放电性能，成为最有希望的锂离子动力电池材料。尽管磷酸铁锂正极材料有以上的诸多优点，但是该材料的电压较低，其放电电位只有3.4伏（相对锂金属），因此能量密度很难提高。

磷酸锰锂具有与磷酸铁锂相同的橄榄石结构，都属于正交晶系，而且它们的理论容量也相同，为170mAh/g，磷酸锰锂具有与磷酸铁锂相同的安全性能。但是磷酸锰锂相对于Li的电极电势为4.1V，远高于磷酸铁锂的3.4V电压平台，而且在这个电压平台下，现有的正极材料的导电率很差，加上其电化学容量较低，高温性能差使其应用受到了限制。

发明内容

本发明提供一种镱镁掺杂磷酸锰锂-碳复合正极材料的制备方法，使用该方法制备的正极材料，具有良好导电性能和较好的循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供的一种镱镁掺杂磷酸锰锂-碳复合正极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）采用溶胶凝胶法制备镱镁掺杂的磷酸锰锂前驱体

该镱镁掺杂磷酸锰锂的化学式为Li_1-xMg_xMn_1-yYb_yPO₄，其中：x=0.13-0.17，y=0.02-0.035，按照上述化学式中的Li、Mg、Mn、Yb、P的摩尔量称取草酸锂、柠檬酸镁、乙酸亚锰、硝酸镱、磷酸，溶解于去离子水中，加入与草酸锂的摩尔比为1:1.2-1.5的络合剂聚丙烯醇，得到混合溶液；

将混合溶液强力搅拌且蒸发溶剂至粘稠，将得到的粘稠物质于鼓风燥箱内进行干燥，粉碎，得到混合物粉末；

将混合物粉末中加入足够浸没其的丙酮，在行星式球磨机中以转速400-500r/min球磨20-30h，球磨后置于真空干燥机干燥得到粉料，将所得粉料用粉碎设备粉碎；

将粉碎后的粉料置于还原气氛炉中在400-600℃的温度预处理10-15h，得到镱镁掺杂的磷酸锰锂前驱体；

（2）碳包覆

将质量比为1:1-2的乙炔黑和碳纳米管混合后形成碳混合物，将碳混合物与丙酮按1∶2-3的重量比相混合并超声分散到乙醇中，形成导电碳分散液，其中丙酮和乙醇的体积比为1:3-5；

将镱镁掺杂的磷酸锰锂前驱体与上述导电碳分散液按照镱镁掺杂的磷酸锰锂前驱体与导电碳混合物重量比100∶3-5的比例混合得到混合料，将混合料在行星球磨机中以转速400-500r/min球磨10-15h；将球磨后的物质干燥后，置于氩气和甲烷的混合气氛中，其中氩气和甲烷的体积比为10:1-2，在回转炉中于700-800℃温度下焙烧10-15h，得到镱镁掺杂磷酸锰锂-碳复合正极材料。

本发明制备的镱镁掺杂磷酸锰锂-碳复合正极材料，将磷酸锰锂复合材料掺杂稀土元素Yb和过渡元素Mg改性以提高电子导电率和锂离子迁移速率，并在其表面包覆碳包覆网络，进一步提高其导电性能和循环稳定性。因此该复合材料在用于锂离子电池时，具有较高的比容量以及较长的使用寿命。

具体实施方式

实施例一

镱镁掺杂磷酸锰锂的化学式为Li_0.87Mg_0.13Mn_0.98Yb_0.02PO₄。按照上述化学式中的Li、Mg、Mn、Yb、P的摩尔量称取草酸锂、柠檬酸镁、乙酸亚锰、硝酸镱、磷酸，溶解于去离子水中，加入与草酸锂的摩尔比为1:1.2的络合剂聚丙烯醇，得到混合溶液。