[发明专利]一种氮掺杂碳包覆磷酸锰铁锂材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂电池正极材料领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆磷酸锰铁锂材料及其制备方法。所述磷酸锰铁锂的分子式为：LiMn_1‑x Fe_xPO₄，其中0.05≤x≤0.4，所述氮掺杂碳包覆磷酸锰铁锂材料具有外层氮碳包覆完整的球形核壳结构，所述壳层的厚度为1～5μm，包覆量为1～5%，其中氮掺杂含量为25～35%；制备方法：（1）制备球形磷酸锰铁；（2）制备磷酸锰铁锂前驱体；（3）制备有机氮源包覆液；（4）制备氮掺杂碳包覆磷酸锰铁锂。本发明制备的磷酸锰铁锂材料碳包覆效果好，导电性好，电容量高，将其应用于锂电池的正极材料时，具有耐低温性能好和倍率高的优点；制备工艺流程简单且易于控制、能耗和原料成本低、生产效率高、可应用于工业化大生产。

技术领域

本发明属于锂电池正极材料领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆磷酸锰铁锂材料及其制备方法。

背景技术

能源问题成为当今世界的主要问题，随着化石能源的日益枯竭，人们开始寻找各种新能源来满足能源的需求。在众多的新能源开发中，电池作为新能源中的化学电源研究的比较多，其中锂离子电池是一种高能绿色电池，具有电压高、能量密度大、循环性能好、无自放电等特点。近二十多年来很多人在锂离子电池上进行了大量的研究并取得了很大的进展，锂离子电池已经广泛应用于手机，笔记本电脑、各种便携式电动工具等，现在人们研究锂离子电池在混合电动汽车上的应用也取得了很大的进展。所以，锂离子电池在能源紧缺的今天占有重要的地位。

电池主要是由正极、负极、电解液体系、隔膜组成，其中正极材料是限制锂离子电池放电容量的关键因素，因此，找到一种很好的正极材料是研究锂离子电池的主要工作。作为锂离子电池正极材料的磷酸铁锂(LiFePO₄)具有良好的安全性能、优异的循环性能和环境友好等优点，并且原材料丰富、比容量高。但是磷酸铁锂存在离子传导率和电子电导率偏低、比能量不足等问题，然而，LiFePO₄材料由于脱嵌锂电位平台(约3.4V)较低，降低了电池整体的能量密度，限制了其在电动汽车上的发展，成为制约磷酸铁锂电池大规模应用的关键因素。最近几年对橄榄石结构的磷酸锰锂(LiMnPO₄)材料的研究取得了很大的成果。相比LiFePO₄，LiMnPO₄ 具有放电电压高，功率密度大等优点，而LiMnPO₄ 对Li的工作电压为4.1V，能够在LiFePO₄的基础上提高20％左右的能量密度，有可能成为未来电动汽车电池的正极材料的首选。制约LiMnPO₄大规模应用的主要原因是其比LiFePO₄更差的电子电导率(10^-10S·cm^-1)和锂离子扩散速率，导致充放电容量极低，电池倍率性能差。而为了提高锂离子传输效率和电子传导效率，必须将磷酸锰锂颗粒的尺寸减小至纳米尺度，但传统的固相反应法难以获得LiMnPO₄ 纳米结构材料。此外，还必须对磷酸锰锂进行铁掺杂和有效的碳包覆，以提高材料的导电性能。尽管有报道采用水热法，溶胶凝胶法等方法获得了纳米级磷酸锰锂材料，但是该制备方法复杂，成本较高，且分散的纳米颗粒的振实密度很低，导致体积能量密度很低，不利于实际应用。此外，由于LiMnPO₄ 与碳不具有较好亲和力，现有的制备方法中碳包覆的效果普遍不理想，为了获得较高放电容量，需要加入比例高达20-30wt％的碳，进一步降低了电池的功率密度。然而作为橄榄石结构的LiMn_xFe_1-xPO₄材料有两个充放电平台，比LiFePO₄的比能量要高，比LiMnPO₄的导电性要好，具有较好的循环性，因此对其研究具有重要的意义，但磷酸锰铁锂材料也有自身的不足，与碳不具有较好亲和力，现有的制备方法中碳包覆的效果普遍不理想，导致材料的高倍率和低温性能不好。因此，目前为了获得高倍率和低温性能更为优异的磷酸锰铁锂正极活性材料显得尤为重要。

发明内容