[发明专利]碳包覆离子掺杂磷酸锰锂电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种碳包覆离子掺杂磷酸锰锂电极材料及其制备方法，电极材料的化学式为LiM_xN_yMn_1‑x‑yPO₄，0.05≤x≤0.25，0.01≤y≤0.10，通过金属元素的有效掺杂和碳原位包覆来提高锂离子电池的大电流充电性能和放电性能。即添加一类氧化还原电位低于Mn³⁺/Mn²⁺电位的金属M用于改善其锂离子电池的放电性能；同时添加一类氧化还原电位高于Mn³⁺/Mn²⁺电位的金属N用于改善其锂离子电池的充电性能；碳原位包覆磷酸锰锂本体材料，使其表面部分或全部碳层包覆，提高材料的电子电导率。本发明有效的提高了锂离子电池的比容量和大电流充放电性能，在动力和储能锂离子电池领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及碳包覆离子掺杂磷酸锰锂电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因其具备能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电低、对环境具备友好性等优点，作为最新一代高比能量化学电源已经广泛应用于移动通讯、便携式手提计算机、摄像机、照相机、便携式仪器仪表等领域，也是各国大力研究的电动汽车的首选配套电源，因此发展锂离子电池材料具有重要意义。近年来混合动力车(HEV)和纯电动车(EV)的蓬勃发展，对电池容量和倍率放电性能以及充放电速度等方面都有更高的要求，这就意味着对正极材料有更高的要求。

目前广泛研究的锂离子电池正极材料主要是锂过渡金属氧化物，金属氧化物如层状结构的LiMO₂(M＝Co Ni Mn)和尖晶石型结构的锰酸锂(LiMn₂O₄)，其中钴酸锂(LiCoO₂)成本较高、资源贫乏且毒性大；镍酸锂(LiNiO₂)制备困难，热稳定性差；LiMn₂O₄容量较低，循环稳定性较差。锂离子电池正极材料还有三元材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂比容量高、价格稍低，但循环寿命不长、存在安全隐患。同时，第一代动力电池磷酸铁锂正极材料也得到应用，其安全性能高，但电压平台仅为3.4V，理论比容量170mAh/g，电池能量密度较低。相比之下，同样具有橄榄型结构的LiMnPO₄具有较高的电极电位，比LiFePO₄的电极电位高0.7V，满足现有电解液的电压使用范围；同时LiMnPO₄具有171mAh/g的理论比容量。如果LiMnPO₄的实际容量发挥到与LiFePO₄相同的程度，其能量密度将比磷酸铁锂高20％以上；除此之外，我国拥有丰富的锰矿资源，锰源毒性小，价格便宜，对环境友好。因此，LiMnPO₄表现出了很强的吸引力，是目前更具发展前景的新型4V锂离子电池正极材料。