[发明专利]一种掺杂金属元素改性的磷酸锰锂复合正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺杂金属元素改性的磷酸锰锂复合正极材料及其制备方法，该复合正极材料的化学通式为LiMn_xM_yPO₄/C，其中0.6≤x≤0.9，x+y=1，M为Fe、Mg、V、Zn、Zr、Ti中的一种或者多种。其制备方法是以锰源可溶性物质为原料制备得到锰源前驱体，然后与锂源、磷源、碳源、M源进行球磨混合，再将混合物在氩气气氛中进行高温烧结，最终得到复合正极材料。本发明所制备的掺杂金属元素的改性磷酸锰锂复合正极材料电化学性能优异，有较高放电比容量和循环稳定性且制备工艺简单适合大批量工业化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种掺杂金属元素改性的磷酸锰锂复合正极材料及其制备方法。

背景技术

由于锂离子电池具有高的能量密度和良好的充放电循环性能，成为目前二次电池研究和关注的重点。橄榄石型LiMnPO₄材料与其它正极材料相比，有着充放电容量大，热力学稳定，无毒，锰源地球储量大，成本低等特点，它具有结构稳定、能量密度高、安全性能好、环境污染小且价格低廉等优点。特别是LiMnPO₄的电压平台在4.1 V，正好与现有的电解液体系匹配，被认为是最具发展前景的锂离子动力电池正极材料之一。

尽管LiMnPO₄作为磷酸锰锂复合正极材料具有很多的优点，但是LiMnPO₄活性材料的本征电导率极低，导致其实际容量低于理论容量，严重限制了它的实际应用。由于导电性差和锂离子扩散系数较低，不仅影响着充放电活性，而且导致高倍率充放电性能降低，严重制约着锂离子电池的使用性能和使用寿命。

因此提高LiMnPO₄的电导率，实现电池的高倍率放电性能将是解决能量密度问题的关键。细化颗粒可以缩短Li⁺迁移路程，提高电荷电导率；非原位的碳包覆方法只能提高次级颗粒之间的导电性能，而原位碳包覆层可以和LiMnPO₄正极材料一次颗粒形成三维连续的导电体系，提高一次颗粒之间的电子电导率；金属离子掺杂方法能够减少Mn³⁺的极化子浓度、降低电子跃迁位能，从本质上提高LiMnPO₄的电子导电率。

此外，合成方法及制备工艺决定着LiMnPO₄的粒径、粒度分布、形貌、比表面积、结晶性和晶格缺陷等，本征的结构特性都会直接影响到锂离子脱嵌过程，即决定着材料的充放电容量和循环寿命等电化学性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种掺杂金属元素改性的磷酸锰锂复合正极材料的制备方法，通过细化磷酸锰锂正极材料的颗粒、碳包覆和金属元素掺杂以解决LiMnPO₄材料放电比容量低，循环稳定性差；倍率性能差的缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种掺杂金属元素改性的磷酸锰锂复合正极材料，该复合正极材料的化学通式为：LiMn_xM_yPO₄/C，其中0.6≤x≤0.9，x+y=1，掺杂金属元素M为Fe、Mg、V、Zn、Zr、Ti中的一种或者多种。

一种掺杂金属元素改性的磷酸锰锂复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）用锰源可溶性物质配制浓度为1～4mol/L的锰盐溶液备用，用沉淀剂和络合剂进行混合配制成氨碱混合溶液备用，所述氨碱混合溶液中沉淀剂的浓度为0.5～8mol/L，络合剂的浓度为0.5～8mol/L；

（2）将分散剂与去离子水按体积比（1～5）︰（70～150）加入到容器中，在700～900r/min的搅拌速率下搅拌0.5~2h，分散均匀后得到底液;