[发明专利]一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料及制备方法，该短孔道介孔正极材料是采用一种简便的方法将掺杂、包覆和材料纳米化三种技术揉合到一起；该短孔道介孔正极材料是通过碳包覆与掺杂Zr双重改性形成，且孔道长度在200‑400nm之间；其制备方法以阳离子表面活性剂为碳源和支撑，加入Zr源采用一步水热法制备出一种新型的短孔道介孔正极材料。该方法制备的短孔道介孔正极材料，不仅能够提升锂离子电池LiFePO₄正极材料的导电率以及锂离子的扩散速率，还在一定程度上缓解低温放电性能差的问题，拓宽其在新能源汽车上的应用。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池的短孔道介孔正极材料及制备方法。

背景技术

随着全球日益严重的能源危机，作为主要动力能源的石油资源日益匮乏，研究和开发新一代替代性产品已迫在眉睫。目前，各国都在新能源包括锂离子电池领域给予了大力的资金投入和政策支持。锂离子电池具有高能量功率密度、无记忆效应、循环寿命长、工作电压平台高，作为高密度的能量储存技术与高效率的能量转化技术，以及相对清洁环保的优点，已逐渐进入人们的视野，成为人们关注的焦点，被研发用以缓解能源紧张和环保问题，并被广泛应用于便携式电子设备、储能设备以及电动车的驱动中。

正负极材料、电解液和隔膜的性能影响并制约着锂离子电池性能的提高，其中正极材料起到关键作用。目前，锂离子电池正极材料分为以下几类：①具有层状结构的钴酸锂(LiCoO₂)、镍酸锂(LiNiO₂)正极材料；②具有尖晶石结构的锰酸锂(LiMn₂O₄)正极材料；③具有橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料；此外还有三元材料。磷酸铁锂正极材料的理论比容量为170mA/g，电压平台为3.7V，在全充电状态下具有良好的热稳定性、较小的吸湿性和优良的充放电循环性能，因此成为现今动力、储能锂离子电池领域研究和生产开发的重点。但由于其本身结构的限制，导致以LiFePO₄为正极材料的锂离子电池导电率差(10^-9S/cm)、锂离子扩散速率慢(10^-13～10^-16cm²/s)，在-20℃低温条件下，放电容量保持率低于80％，放电性能较差，这些都制约了LiFePO4正极材料的大规模工业化生产。

专利CN201110069926.2公开了一种纳米核壳结构的磷酸铁锂正极材料及制备方法，该正极材料具有内核活性材料和导电的外壳结构。其制备方法为采用多孔材料为合成微反应器，磷酸铁锂前驱物负载填充于孔内，即内核活性前驱物反向包裹多孔前驱物形成特殊的纳米核壳结构，从而控制一次颗粒的形貌粒度；采用液相混料与固相烧结的工艺来制备纳米核壳结构的磷酸铁锂正极材料。但该制备方法需要调节溶液的pH值，同时正极材料前驱物在干燥过程中负载填充在多孔结构中，制备过程复杂，控制难度更高。

为了解决LiFePO₄正极材料的这些问题，人们通常采用掺杂法、包覆法和材料纳米化来提高其导电率以及锂离子的扩散速率。但是与市场需求相比，磷酸铁锂材料及其电池性能仍然需要进行持续的改进和提高，如离子掺杂改进材料的导电率和锂离子扩散速率方面仍存在分歧；纳米材料的制备工艺、生产成本要求较高；此外，除了考虑实验室条件下的可行性研究外，还要考虑大规模工业化的生产要求，这些都有待于进一步研究。因此本发明采用一种简便的方法将这三种技术巧妙地结合起来制备出性能优异的孔道长度在200～400nm的锂离子电池正极材料LiZr_XFe_1-XPO₄/C。

发明内容

本发明以阳离子表面活性剂作为碳源和支撑，加入Zr源采用一步水热法制备出一种新型的锂离子电池短孔道介孔LiZr_XFe_1-XPO₄/C正极材料，提升了锂离子电池LiFePO₄正极材料的导电率以及锂离子的扩散速率，一定程度上缓解了低温放电性能差的问题，拓宽了其在新能源汽车上的应用。