[發明專利]一種鋰離子電池正極材料磷酸鐵錳鋰及其制備方法

有效

• 申請號: 201410186799.8
• 申請日: 2014-05-06
• 公開（公告）號: CN103956491A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 關成善;宗繼月;孟博;趙玲
• 申請（專利權）人: 山東精工電子科技有限公司
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于材料領域中電池正極材料的制備方法，尤其涉及一種鋰離子電池正極材料磷酸鐵錳鋰及其制備方法。

背景技術

隨著社會經濟的發展和人類生活水平的提高，各國對能源的需求日益增大，而傳統化石能源(煤、石油、天然氣)的減少和地球環境的日益惡化，成為了人類生存發展的兩大障礙，尋找新能源，開發節能環保的能源儲存轉換裝置成為各國研究的熱點課題之一。電池作為一種化學能和電能相互轉化的器件，是合理利用能源的重要媒介，社會的進步使得開發綠色、高能、安全的電源成為了一種迫切需求。在眾多的二次電池中，鋰離子二次電池（Lithium-ion?batteries，簡稱?LIB）自誕生之初便憑借其無法比擬的性能成為了全球廣泛關注的焦點。

正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，它不僅作為電極材料參與電化學反應，而且是鋰離子的提供者。由于正極材料的密度遠高于負極材料，因此正極材料比容量對電池比容量的影響更大，且正極材料約占鋰離子電池成本的?40%左右。因此，正極材料的性能和價格等是制約鋰離子電池進一步向高能量、長壽命和低成本發展的瓶頸。

LiMPO₄(M=Fe、Mn、Co和Ni)系列電極材料屬于聚陰離子型化合物，與普通氧化物電極材料的結構完全不同，因而,具有獨特的電化學性能。這類電極材料近年來引起了眾多研究人員的極大興趣，其中，LiFePO₄是目前的研究熱點之一，它的理論容量約為170mAh/g，但其相對于Li+/Li的電極電勢僅為3.4V。LiCoPO₄和LiNiPO₄的電壓平臺分別在4.8和5.1V，超出了現有鋰離子電池電解液能承受的范圍，研究發現，這些材料中LiMnPO₄相對于Li+/Li的電極電勢為4.1V，適用于現有鋰離子電解液，且這種材料具有成本低、對環境友好，能量密度高等優點。然而，這類材料普遍存在的問題是導電率差，而且LiMnPO₄的電導率只有LiFePO₄的千分之一，幾乎屬于絕緣體的范疇。為了提高材料的電化學性能,人們使用了許多方法來解決這個問題，如：小的均勻顆粒尺寸可縮短鋰離子擴散路徑，增大鋰離子嵌入脫出時的有效表面積；碳包覆能提高其導電性，并解決顆粒團聚問題；通過金屬摻雜提高電子導電性。

本專利在磷酸錳鋰基礎上進行了提高材料放電比容量的改進實驗，通過對磷酸錳鋰進行鐵元素摻雜穩定了磷酸錳鋰的結構，提高了磷酸錳鋰的電子導電性，放電比容量0.2C下可達129mAh/g，材料性能明顯有了進一步提升。

發明內容

本發明的目的是將磷酸鐵錳鋰作為鋰離子電池正極材料，改進磷酸錳鋰正極材料電子導電性差的問題，同時解決磷酸錳鋰中由于錳元素姜-泰勒效應引起的結構不穩定問題，提高放電比容量及倍率性能。

本發明解決技術問題所采用的技術方案如下：一種鋰離子電池正極材料的化學通式為LiFe_0.5Mn_0.5PO₄，通過減少錳元素的量提高材料的電化學性能，本發明專利采用的技術方案為：

一種鋰離子電池正極材料磷酸鐵錳鋰及其制備方法，其特征在于其步驟是：

（1）首先按摩爾比1.0～1.2:1:1稱取一定量的鋰源、鐵源、磷源，然后加入質量分數5%~13%的碳源，混合均勻，在惰性氣體氛圍中以250~400℃熱處理2~5h，隨爐冷卻處理；

（2）取步驟1制備的混合物一半，按鐵錳摩爾比1:1的比例加入錳源，同時根據錳鋰磷源摩爾比1:1.0～1.2:1稱取鋰源、磷源，然后再加入3%碳源，混合均勻后得到磷酸鐵錳鋰前驅體；

（3）混合均勻后的磷酸鐵錳鋰前驅體放入化合爐，經2~20min的化合處理后，留待煅燒；

（4）控制升溫速率在5~12℃/min，將化合處理后的前驅體粉料，在惰性氣體氛圍保護下，550~750℃煅燒處理3~12h，隨爐冷卻至室溫，得到碳包覆的磷酸鐵錳鋰正極材料。

根據所述的一種鋰離子電池正極材料磷酸鐵錳鋰及其制備方法，所述鐵源為磷酸鐵、硝酸鐵或氧化鐵中的一種或兩種。

根據所述的一種鋰離子電池正極材料磷酸鐵錳鋰及其制備方法，所述磷源為磷酸鐵、磷酸二氫銨或磷酸氫二銨中的一種或兩種。

根據所述的一種鋰離子電池正極材料磷酸鐵錳鋰及其制備方法，所述碳源為葡萄糖、蔗糖或聚乙二醇中的一種或兩種。