[发明专利]一种磷酸铁锂正极材料、锂离子电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种磷酸铁锂正极材料、锂离子电池及其制备方法，属于锂电池技术领域。包括如下步骤：第1步，将氢氧化锂25～45份与水25～30份、乙醇9～15份混合，再加入硅烷偶联剂接枝的离子液体12～16份进行改性反应；第2步，将磷酸铁110～140份配制为固含量为30～50wt.%的水溶液，再加入磷酸铁重量的2～4%的阴离子表面活性剂，高速混合后，缓慢滴加第1步得到的反应物中，搅拌均匀，得到浆料；第3步，将浆料经过喷雾干燥、烧结后得到磷酸铁锂材料。本发明提供的磷酸铁锂材料，其应用于锂离子电池的正极材料时，具有电容量大、放电效率高、循环放电次数多的优点。

技术领域

本发明涉及一种磷酸铁锂正极材料、锂离子电池及其制备方法，属于锂电池技术领域。

背景技术

当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。所以锂离子电池又叫摇椅式电池。锂离子电池的主要组成包括：1）正极，是活性物质，主要指钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂等，导电集流体一般使用厚度在10～20微米的铝箔；（2）隔膜，是一种特殊的塑料膜，可以让锂离子通过，但却是电子的绝缘体，目前主要有PE和PP两种及其组合。还有一类无机固体隔膜，如氧化铝隔膜涂层就是一种无机固体隔膜，；（3）负极，是活性物质，主要指石墨、钛酸锂、或近似石墨结构的碳材料，导电集流体一般使用厚度在7-15微米的铜箔；（4）电解液，一般为有机体系，如溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，另有些聚合物电池使用凝胶状电解液；（5）电池外壳，主要分为硬壳（钢壳、铝壳、镀镍铁壳等）和软包（铝塑膜）两种 。锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流充电阶段和恒压电流递减充电阶段。锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

由于锂离子电池中负极材料的比容量和性能远高于正极材料,故目前较多的研究工作主要集中提高正极材料的比容量和充、放电速率上。迄今为止，比较成熟的常规锂离子电池正极材料的研究集中于层状的过渡金属氧化物LiMO₂(M=Co,Ni, Mn等)与尖晶石型的LiM₂O₂(M=Co,Ni,Mn等)。LiCoO₂是最早商业化的锂离子电池正极材料，其理论比容量高(274mAh/g)、开路电压大、电化学性能稳定,缺点是资源短缺、价格昂贵且有毒、高温会发生爆炸。LiNiO₂比容量大(275mAh/g)、价格便宜, 缺点是制备工艺复杂、热稳定性差。 LiMn₂O₄的资源丰富、价格便宜、无毒，但其比容量较低(148mAh/g)，高温下容量衰减快、寿命差。所以，以上材料的一系列缺点，严重影响了这些材料的应用性能，而使这些材料仍处于不断研究和发展的阶段。LiFePO₄，它具有优良的电化学性能,理论比容量为170mAh/g，对锂平台电压为3.4V，成本低廉,环境友好，循环寿命长,高温下安全性好,兼顾了Li₂CoO₂、LiNiO₂、LiVO₂材料的主要优点，作为锂离子电池的正极材料较好地解决了成本、环境、安全问题,受到了人们的广泛关注。LiFePO₄的出现被认为是“锂离子电池一个新时代到来”的标志。