[發明專利]一種高功率磷酸鐵鋰電池材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210278178.3
• 申請日: 2012-08-07
• 公開（公告）號: CN102760880A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 楊志寬;黃文杰;程元勝
• 申請（專利權）人: 楊志寬;程元勝
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;B82Y30/00
• 代理公司: 煙臺雙聯專利事務所(普通合伙) 37225
• 代理人: 梁翠榮

技術領域：

本發明涉及一種高功率磷酸鐵鋰電池材料及其制備方法，特別是制備了一種具有特殊結構的一維納米碳材料摻雜的球型磷酸鐵，并以此制備金屬離子摻雜的、穿插無機纖維碳并表面包覆有機高溫裂解碳的復合磷酸鐵鋰電池材料，屬于新能源汽車用動力鋰離子電池和儲能鋰離子電池正極材料技術領域。

背景技術：

使用磷酸鐵鋰材料制造的鋰離子電池具有安全、長壽命、無污染等優勢，已經在電動汽車、儲能電站、通信基站等領域有相當規模的示范或應用，所以磷酸鐵鋰電池材料被業界認為是最具市場潛力的電池材料之一。但沒有經過修飾改性的純相磷酸鐵鋰存在很大問題而不能使用，最突出的問題是：1）電子電導率低，只有10^-10～10^-9S/cm，遠低于鈷酸鋰和錳酸鋰的10^-4～10^-3S/cm；2）鋰離子擴散速率低，為一維隧道式傳導，僅為10^-14cm²/s左右。這使得純相磷酸鐵鋰比容量低、倍率差、循環差。

大量研究表明，通過金屬離子摻雜和碳包覆，可以大大改善磷酸鐵鋰的離子擴散速率和電子電導率。經改性的磷酸鐵鋰放電比容量可以提高到140～150mAh/g，循環壽命也得到大大提高，2000循環容量保持率超過90%，可以滿足低倍率小電流放電，比如純電動汽車電池（放電倍率要求0.2～1C）、儲能電站電池（充電倍率小于0.5C，放電倍率0.1C）等。但在混合動力汽車、汽車啟動電源等要求高倍率（如20C或以上倍率）放電時，上述提高并不明顯，存在放電電壓低、容量低、極化大、功率特性差等問題，造成電池熱量積累、電池表面發熱嚴重、循環壽命縮短等問題，這就限制了磷酸鐵鋰材料的使用領域。為此，提高磷酸鐵鋰材料的高功率放電特性，對拓寬其使用范圍具有重要意義。

申請號為201010252166.4的發明專利“磷酸鐵鋰-碳纖維復合陰極材料的制備方法”公開了一種通過熱解有機碳源原位氣相生長碳纖維并與磷酸鐵鋰同時生成的方法，在300-900度下反應室中通入炭源氣體裂解后包覆于磷酸鐵鋰表面形成導電網絡。申請號為200810124253.4的發明專利公開了一種高功率型磷酸鐵鋰復合材料的制備方法，首先制備含鋰的內嵌碳納米管的氫氧化鐵懸濁溶液，然后加入磷酸鹽溶液得到前驅體，在通過N₂-H₂混合氣熱還原和燒結處理得到內嵌碳納米管的磷酸鐵鋰復合材料。

上述方法均是通過一定的技術手段實現碳纖維或碳納米管在磷酸鐵鋰材料中的均勻分散，達到提高磷酸鐵鋰的導電性或倍率特性。雖然可以一定程度上解決碳纖維或碳納米管的分散，并得到高倍率放電較好的材料，但僅能部分提高高功率特性。如申請號為201010252166.4的發明專利，雖然是解決了碳纖維的分散問題，但僅僅是在表面的包覆，很難形成在磷酸鐵鋰材料內部分散，同時也并未進行金屬摻雜，所以材料體相內部的電子電導率和離子擴散速率沒有提高太多；申請號為200810124253.4的發明專利僅靠碳納米管的導電作用提高材料的電導率，并未考慮顆粒間電子電導率和材料體相內部的離子傳導速率，電化學反應的進行需要電子和離子同時到達才能進行。

發明內容：

本發明的目的在于克服上述已有技術的不足而提供一種具有特殊結構的高功率型磷酸鐵鋰復合電池材料及其制備方法，本發明方法制得的磷酸鐵鋰表面包覆有有機碳源裂解形成的無定形碳，同時還穿插有纖維狀無機碳并摻雜金屬離子，通過三方面的協同效應，大大提高了材料的顆粒表面和內部電導率，具有較高的高功率放電特性，工藝簡單，適用于工業化生產。

本發明的目的可以通過如下措施來達到：一種高功率磷酸鐵鋰電池材料，其特征在于材料的結構為Li_1-xM_xFePO₄/C₁/C₂，其中x=0.02～0.08，C₁為穿插在磷酸鐵鋰材料中的一維納米碳材料，C₂為包覆在材料表面的有機物裂解碳，M為摻雜金屬元素。

一種高功率磷酸鐵鋰電池材料的制備方法，其特征在于其包括如下步驟：