[发明专利]一种碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料及其制备方法和应用。本发明所述制备方法包括：无水前驱体的制备、结晶水的去除、喷雾干燥、烧结、气流粉碎这五个主要步骤。本发明采用共沉淀法合成的前驱体作为锰源和铁源，保证了最终合成的磷酸锰铁锂材料的物相均一性；又利用前驱体与磷酸锂混合均匀性高的特点，保证了物料在烧结后的纯度；同时，本发明在制备过程中对前驱体去除结晶水的前处理，避免了物料在烧结时的硬团聚以及烧结时对碳包覆的影响，显著提高了最终制备得到的碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料的电化学性能。因此，本发明在磷酸锰铁锂材料领域中有着良好的发展和应用前景。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高、安全性高等优点，广泛应用于各种电子产品当中。

其中，磷酸锰铁锂电池的性能尤为突出，但目前制备磷酸锰铁锂材料的工艺还有很大的上升空间，现今最常见的制备方法是在现有磷酸铁制备磷酸铁锂工艺路线基础上，在湿法研磨阶段按比例加入磷酸铁、二氧化锰、磷酸二氢铵、碳酸锂以及碳源，研磨至一定粒径后再进行喷雾干燥、气氛烧结、粉碎，即可获得磷酸锰铁锂正极材料。但此制备方法对二氧化锰要求高，一般需要电解级及以上才能达到高纯度和低杂质含量要求，并对颗粒形貌有较高要求(一次颗粒小、易研磨分散)；而且由于磷酸铁与二氧化锰在颗粒形貌以及松散程度上存在差异，就算进行湿法研磨也很难达到均匀混合的效果，其相应的对最终生成的磷酸锰铁锂成品物相均一性造成影响，无法体现磷酸锰铁锂相较于磷酸铁锂材料的性能优势。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料及其制备方法和应用。所述碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料拥有更好的物相均一性以及更加显著的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将共沉淀法合成的前驱体置于N₂气氛下进行烧结，去除结晶水，得到无水前驱体；

(2)将步骤(1)中所得无水前驱体以及磷酸锂、补充剂充分混合，得到物料a，然后向物料a中加入有机碳源、掺杂剂和去离子水，再依次进行搅拌分散、湿法研磨，得到物料b；

(3)将步骤(2)中所得物料b进行喷雾干燥，得到物料c；

(4)将步骤(3)中所得物料c置于N₂气氛下进行烧结，得到物料d；

(5)将步骤(4)中所得物料d进行气流粉碎，得到碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料。

优选的，步骤(1)中，所述前驱体为(Mn_xFe_1-x)₂(PO₄)₃·yH₂O，其中，0.5x0.8，0≤y≤8。

优选的，步骤(1)中，所述烧结的温度为450～650℃、烧结的时间为2～4h、烧结的压力为50～200Pa。

优选的，步骤(2)中，所述物料a中(Fe+Mn)/P的摩尔比控制在0.96～0.99，Li/(Fe+Mn)的摩尔比控制在1.02～1.05。

优选的，步骤(2)中，所述有机碳源加入的量使得最终制备得到的碳包覆的高容量磷酸锰铁锂材料中的碳含量为1.5～2.0％。

优选的，步骤(2)中，所述掺杂剂加入的量为无水前驱体中Fe+Mn摩尔含量的0～1.0％。

优选的，步骤(2)中，所述有机碳源为葡萄糖、蔗糖、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种。

优选的，步骤(2)中，所述掺杂剂为Ti、V、Nb、Mg中的一种或多种。