[發(fā)明專利]一種鋰離子電池正極材料的制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410738331.5
• 申請日: 2014-12-05
• 公開（公告）號(hào): CN104505493A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳關(guān);房向鵬;高旭光;柳娜;阮丁山
• 申請（專利權(quán)）人: 東莞新能源科技有限公司;寧德新能源科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/139
• 分類號(hào): H01M4/139;H01M4/38
• 代理公司: 北京匯思誠業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11444
• 代理人: 王剛;龔敏

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及正極材料的制備方法及應(yīng)用了該正極材料的鋰離子電池，屬于鋰離子電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

磷酸鐵鋰(LiFePO₄)材料作為二次鋰離子電池的正極材料具有原料豐富、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好、循環(huán)性能與安全性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛用于電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能系統(tǒng)市場。

LiFePO₄材料的本征電子電導(dǎo)率及離子擴(kuò)散速率極低，直接導(dǎo)致了其比容量低與倍率性能差。LiFePO₄具有特殊的橄欖石型晶體結(jié)構(gòu)，鋰離子在脫嵌過程中只能沿一維方向運(yùn)動(dòng)。因此，LiFePO₄材料的粒徑?jīng)Q定鋰離子在LiFePO₄固相中的擴(kuò)散路程。材料的粒徑越大，鋰離子在固相中擴(kuò)散路程越長，電極中的脫嵌鋰反應(yīng)就更難進(jìn)行，材料的電極性能也就更差，所以降低材料的粒徑是提高LiFePO₄鋰離子擴(kuò)散速率進(jìn)而改善其電極性能的有效手段。電極材料在脫嵌鋰離子反應(yīng)中必然產(chǎn)生電子的傳導(dǎo)過程，因此電極材料必須具有較高的電子電導(dǎo)率。為了提高LiFePO₄顆粒內(nèi)部與顆粒間的電導(dǎo)率，通常利用具有優(yōu)秀導(dǎo)電性能的材料對(duì)LiFePO₄進(jìn)行表面包覆合成LiFePO₄/C材料，或者利用金屬元素對(duì)LiFePO₄進(jìn)行摻雜處理合成LiFe_1-xM_xPO₄材料。

通過優(yōu)化合成方法、優(yōu)選碳源與簡化工藝步驟，開發(fā)出一種粒徑尺寸可控、碳層均勻包覆、成本低廉和電化學(xué)性能優(yōu)異的鋰離子電池正極材料具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本申請的一個(gè)方面，提供一種鋰離子電池正極材料的制備方法，直接使用廉價(jià)的金屬鐵粉為原料，顯著降低了LiFe_1-xM_xPO₄材料的生產(chǎn)成?本，工藝流程簡單，無需使用復(fù)雜昂貴的操作設(shè)備，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。根據(jù)本申請所述方法制備得到的正極材料，電導(dǎo)率高達(dá)2.0×10^-2～6.5×10^-1S/cm，具有優(yōu)異的低溫功率性能、放電比容量和倍率性能。

所述鋰離子電池正極材料的制備方法，其特征在于，至少包括以下步驟：

a)向含有鐵粉、磷酸、弱酸、表面活性劑的體系中，加入鋰源、碳源、含有金屬元素M的化合物和氧化劑，混合均勻得到混合物，所得混合物經(jīng)噴霧干燥得到前驅(qū)體；

前驅(qū)體中，鐵粉、磷酸、弱酸、表面活性劑、鋰源、碳源、氧化劑的摩爾比為鐵:磷酸:弱酸:表面活性劑:鋰源:碳源:含有金屬元素M的化合物:氧化劑＝1～0.9:1:0.05～0.5:0.1～0.6:1:0.15～1.0:0～0.1:0.2～0.7；

其中，鋰源的摩爾數(shù)以鋰元素的摩爾數(shù)計(jì)；碳源的摩爾數(shù)以碳元素的摩爾數(shù)計(jì)；含有金屬元素M的化合物的摩爾數(shù)以金屬元素M的摩爾數(shù)計(jì)；

b)將前驅(qū)體置于動(dòng)態(tài)非活性氣體中，在450～950℃的溫度下煅燒4～32小時(shí)后，經(jīng)冷卻、破碎，即得所述鋰離子電池正極材料。

所述鋰離子電池正極材料為具有碳包覆層的LiFe_1-xM_xPO₄，0≤x≤0.10正極材料。元素M嚴(yán)格占據(jù)LiFePO₄晶體中的Fe位，從而能夠顯著提高離子電導(dǎo)率。所述鋰離子電池正極材料的一次顆粒粒徑為20～80nm，粉末電導(dǎo)率為2.0×10^-2～6.5×10^-1S/cm。包覆LiFe_1-xM_xPO₄的碳包覆層厚度為0.5～15nm，優(yōu)選為3～7nm。

優(yōu)選地，所述金屬元素M選自IIA族金屬元素、IIIA族金屬元素、IVB族金屬元素、VB族金屬元素、VIIB族金屬元素、VIII族金屬元素中的至少一種。

優(yōu)選地，所述金屬元素M選自Mg、Ti、Nb、V、Mn、Mo、Co、Ni、Al、Zr中的至少一種。

優(yōu)選地，所述含有金屬元素M的化合物為含有金屬元素M的有機(jī)化合物。

優(yōu)選地，步驟a)所述鐵粉的中值粒徑為1～950μm。進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟a)所述鐵粉的中值粒徑范圍上限選自940μm、600μm、300μm，下?限選自100μm、150μm。更進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟a)所述鐵粉的中值粒徑為50～200μm。