[发明专利]一种锂离子电池正极材料的制备方法及应用

说明书

技术领域

本申请涉及正极材料的制备方法及应用了该正极材料的锂离子电池，属于锂离子电池领域。

背景技术

磷酸铁锂(LiFePO₄)材料作为二次锂离子电池的正极材料具有原料丰富、价格低廉、对环境友好、循环性能与安全性能优异等特点，广泛用于电动汽车与储能系统市场。

LiFePO₄材料的本征电子电导率及离子扩散速率极低，直接导致了其比容量低与倍率性能差。LiFePO₄具有特殊的橄榄石型晶体结构，锂离子在脱嵌过程中只能沿一维方向运动。因此，LiFePO₄材料的粒径决定锂离子在LiFePO₄固相中的扩散路程。材料的粒径越大，锂离子在固相中扩散路程越长，电极中的脱嵌锂反应就更难进行，材料的电极性能也就更差，所以降低材料的粒径是提高LiFePO₄锂离子扩散速率进而改善其电极性能的有效手段。电极材料在脱嵌锂离子反应中必然产生电子的传导过程，因此电极材料必须具有较高的电子电导率。为了提高LiFePO₄颗粒内部与颗粒间的电导率，通常利用具有优秀导电性能的材料对LiFePO₄进行表面包覆合成LiFePO₄/C材料，或者利用金属元素对LiFePO₄进行掺杂处理合成LiFe_1-xM_xPO₄材料。

通过优化合成方法、优选碳源与简化工艺步骤，开发出一种粒径尺寸可控、碳层均匀包覆、成本低廉和电化学性能优异的锂离子电池正极材料具有重要的意义。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供一种锂离子电池正极材料的制备方法，直接使用廉价的金属铁粉为原料，显著降低了LiFe_1-xM_xPO₄材料的生产成 本，工艺流程简单，无需使用复杂昂贵的操作设备，适用于工业化生产。根据本申请所述方法制备得到的正极材料，电导率高达2.0×10^-2～6.5×10^-1S/cm，具有优异的低温功率性能、放电比容量和倍率性能。

所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

a)向含有铁粉、磷酸、弱酸、表面活性剂的体系中，加入锂源、碳源、含有金属元素M的化合物和氧化剂，混合均匀得到混合物，所得混合物经喷雾干燥得到前驱体；

前驱体中，铁粉、磷酸、弱酸、表面活性剂、锂源、碳源、氧化剂的摩尔比为铁:磷酸:弱酸:表面活性剂:锂源:碳源:含有金属元素M的化合物:氧化剂＝1～0.9:1:0.05～0.5:0.1～0.6:1:0.15～1.0:0～0.1:0.2～0.7；

其中，锂源的摩尔数以锂元素的摩尔数计；碳源的摩尔数以碳元素的摩尔数计；含有金属元素M的化合物的摩尔数以金属元素M的摩尔数计；

b)将前驱体置于动态非活性气体中，在450～950℃的温度下煅烧4～32小时后，经冷却、破碎，即得所述锂离子电池正极材料。

所述锂离子电池正极材料为具有碳包覆层的LiFe_1-xM_xPO₄，0≤x≤0.10正极材料。元素M严格占据LiFePO₄晶体中的Fe位，从而能够显著提高离子电导率。所述锂离子电池正极材料的一次颗粒粒径为20～80nm，粉末电导率为2.0×10^-2～6.5×10^-1S/cm。包覆LiFe_1-xM_xPO₄的碳包覆层厚度为0.5～15nm，优选为3～7nm。

优选地，所述金属元素M选自IIA族金属元素、IIIA族金属元素、IVB族金属元素、VB族金属元素、VIIB族金属元素、VIII族金属元素中的至少一种。

优选地，所述金属元素M选自Mg、Ti、Nb、V、Mn、Mo、Co、Ni、Al、Zr中的至少一种。

优选地，所述含有金属元素M的化合物为含有金属元素M的有机化合物。

优选地，步骤a)所述铁粉的中值粒径为1～950μm。进一步优选地，步骤a)所述铁粉的中值粒径范围上限选自940μm、600μm、300μm，下 限选自100μm、150μm。更进一步优选地，步骤a)所述铁粉的中值粒径为50～200μm。