[發(fā)明專利]一種納米級鋰電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910143905.3
• 申請日: 2009-06-02
• 公開（公告）號: CN101567449A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐瑞松
• 申請（專利權(quán)）人: 徐瑞松
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/04
• 代理公司: 北京匯澤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 張 瑾

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米級鋰電池正極材料及其制備方法，該材料用于聚合物、膠體和液 體鋰離子電池中，特別適用于制作大功率的動力電池。

背景技術(shù)

目前，鋰電池中常用的正極材料有三種：鈷酸鋰、鎳鈷酸鋰和錳酸鋰。鈷酸鋰和鎳鈷 酸鋰是六方晶系層狀巖鹽結(jié)構(gòu)的氧化物，鋰離子中的電子在O-Co-O構(gòu)成的八面體層間 隙中移動，具有較高的導(dǎo)電性能和鋰離子脫嵌/嵌入的可逆性。錳酸鋰是尖晶石三維結(jié)構(gòu)的 氧化物，鋰離子中的電子在O-Mn-O構(gòu)成的八面體立方通道中移動，也具有較高的導(dǎo)電 性能和鋰離子脫嵌/嵌入可逆性。它們都是當前鋰電池工業(yè)中大量應(yīng)用的正極材料。但金屬 鈷是地球上稀缺的元素之一，且具有放射性，其氧化物在電池過充和過放時會與電解液發(fā) 生劇烈反應(yīng)，放出大量熱量而致使電池起火直至爆炸。因此，鈷酸鋰和鎳鈷酸鋰的制造成 本高，安全性差。錳酸鋰雖然較便宜和安全，可是電容量小，而且在高溫條件下(55℃以 上)的循環(huán)使用壽命差。即使經(jīng)過摻雜和表面化學(xué)處理，錳酸鋰電池的循環(huán)使用壽命仍然 無法滿足實際要求。因此，鋰電池工業(yè)，特別是大功率鋰電池急需一種成本低廉、環(huán)保、 容量大和安全的正極材料。

為此，美國德州大學(xué)教授J.B.Goodenough等(A.K.Padhi，K.S.Najundaswamy， C.Masgueslier，S.Okada?and?J.B.Goodenough，J.Eletrochem.Soc.144，1609-1613(1997)) 于1997年在美國電化學(xué)雜志上發(fā)表文章，公開了一種新的嵌鋰化合物：鋰鐵磷酸鹽多晶 體LiFePO₄。該晶體中的鋰離子電子在FeO₆八面體和PO₄四面體結(jié)構(gòu)中自由移動，具有鋰 離子的脫嵌/嵌入可逆性。當1摩爾的鋰離子從結(jié)構(gòu)中脫嵌出來時，鋰鐵磷酸鹽多晶體的理 論放電容量可達170mAh/g。由于鋰、鐵儲量豐富，鋰鐵磷酸鹽的生產(chǎn)成本低廉。該文預(yù) 測，由于鋰鐵磷酸鹽材料具有價廉、環(huán)保、高性能和安全等特征，其在電池工業(yè)中可能具 有廣闊的應(yīng)用前景。

但是，鋰鐵磷酸鹽在室溫下電導(dǎo)率極低(10^-9S/cm)，在正常放電電流(10^-1mA/cm²) 條件下，鋰鐵磷酸鹽的實際放電容量僅為理論值(170mAh/g)的10％。因此，限制了其在 電池中的應(yīng)用。為了提高鋰鐵磷酸鹽的電導(dǎo)率，近期有文章報道(Suag-Yoon?Chang，Jason T.Bloking?and?Yetming?Chiang，Nature，October?123-128(2002))，在其結(jié)構(gòu)中加入微量添加 劑，如Mg、Ti、Nb和Zr等，室溫下的電導(dǎo)率有了較大提高。但是，該文中提到的添加劑 的加入方法復(fù)雜，微量元素的價格高，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。此外，鋰鐵磷酸鹽的室溫 導(dǎo)電空間較大，但其放電電壓較低，從而影響了該材料的能量密度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種以鋰鐵磷酸鹽為基材，還摻有導(dǎo)電摻雜離子和增壓摻雜離子 的納米級鋰電池正極材料及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。

本發(fā)明提供的納米級鋰電池正極材料，該材料以鋰鐵磷酸鹽為基材，還摻有導(dǎo)電摻雜 離子和增壓摻雜離子，化學(xué)通式為：(Li_x[M_1-x])(Fe_y[N_1-y])PO₄，式中：x＝0.9～0.96； y＝0.93～0.97；M為導(dǎo)電摻雜離子，選自Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ti²⁺、Al³⁺、B³⁺、Ce³⁺、C⁴⁺、 Si⁴⁺、Ge⁴⁺或P⁵⁺其中之一或任意兩種以上的組合；N為增壓摻雜離子，選自Ti²⁺、V⁵⁺、Co³⁺、 Ni³⁺、Mn²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺或Mo⁴⁺其中之一或任意兩種以上的組合。

上述納米級鋰電池正極材料的顆粒直徑為40～80nm。