一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来新能源汽车市场爆发式增长，因而促使锂离子电池产业也随之快速发展。磷酸铁锂作为锂离子电池主流的正极材料之一，橄榄石结构的磷酸铁锂材料具有循环寿命长、资源丰富、价格低廉、对环境污染小和化学稳定性好等优点，并且随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，采用磷酸铁锂正极的锂离子电池被认为是储能市场的最有力竞争者，因此磷酸铁锂的市场需求量将继续快速增长。

2、但是磷酸铁锂材料尚存在电子电导率低、锂离子扩散系数小等缺点，此外，磷酸铁锂正极材料呈弱碱性，会出现材料表面析锂、电子导电性差、电化学性能下降等问题，影响锂离子电池的性能。目前，改善磷酸铁锂性能的方法包括高价金属离子掺杂、表面碳包覆、形貌尺寸控制等。

3、专利cn114455563a将磷酸铁、锂源和掺杂剂混合，经研磨处理得到混合材料，然后对得到的混合材料进行喷雾干燥，经煅烧处理后得到所述改性磷酸铁锂材料。所述改性磷酸铁锂材料的0.1c充电比容量可达157.6mah/g以上，0.1c放电比容量可达151.7mah/g以上，1c放电比容量可达136.6mah/g以上，5c放电比容量可达117.7mah/g以上。

4、专利cn114335478a将适量的铁源、磷源、锂源、氢氧化镁、peg-400、碳源固相混合后经球磨、喷雾干燥、高温烧结，得到高振实密度的镁掺杂磷酸铁锂/碳复合微球，所制备的材料具有电子电导率和离子扩散率高、倍率性能和循环性能好，振实密度高，能用于生产中大容量、中高功率的锂离子电池。

5、上述现有技术中，合成磷酸铁锂材料的制备方法通常是将铁源(磷酸铁)、锂源(碳酸锂)、碳源(葡萄糖)以及掺杂的金属源(镁、镍等)在经过研磨混合之后进行高温煅烧得到碳包覆的磷酸铁锂材料。这类方法存在的缺点包括：1、所用的碳源、金属源材料等原料都是单纯的物理混合，难以混合均匀，导致合成得到的磷酸铁锂晶体有缺陷；2、涉及原料较多、引入其他杂质的几率大，影响产物磷酸铁锂的纯度。

6、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法。该方法采用葡萄糖酸盐为碳源、金属源，金属离子与葡萄糖酸根离子之间有化学键作用，可以使得碳包覆和金属掺杂更均匀。

2、本发明技术方案的基本构思如下：

3、一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将铁源、磷源、锂源和葡萄糖酸盐混合于溶剂中，得到混合液；

5、(2)研磨所述混合液得到浆料，干燥所述浆料，得到前驱体；

6、(3)将所述前驱体在惰性气氛中进行烧结，即得到所述碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料。

7、作为一种案例，所述铁源、磷源、锂源和葡萄糖酸盐的摩尔比为(1～1.15):(1～1.15)：(1～1.15)：(0.06～0.1)。

8、作为一种案例，所述步骤(2)中，研磨的方法为：先以150-300rmp/min研磨1～3h，再以300～500rmp/min研磨1～3h。

9、可选地，所述浆料的研磨粒度控制在200～500nm；

10、可选地，所述浆料在80～120℃干燥8～12h，得到所述前驱体。

11、作为一种案例，所述葡萄糖酸盐选自葡萄糖酸镁、葡萄糖酸镍、葡萄糖酸铜、葡萄糖酸锌、葡萄糖酸钴和葡萄糖酸锰中的一种或几种组合。

12、作为一种案例，所述铁源为氧化铁、磷酸铁或草酸亚铁的一种或多种；所述锂源为碳酸锂、氢氧化锂或磷酸锂的一种或多种；所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵或磷酸氢二铵的一种或多种。

13、作为一种案例，所述步骤(3)中的烧结条件为：330-370℃烧结2～3h，后升温至650-750℃烧结8～12h。

14、本发明提供一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料，其采用根据上述内容任一项所述的制备方法获得。

15、本发明提供一种锂离子电池正极材料，其包含根据上述内容任一项所述的制备方法获得的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料。

16、本发明提供一种锂离子电池，其包括上述的锂离子电池正极材料。

17、本发明和现有技术相比具有如下优点：

18、1、本发明的方法以葡萄糖酸盐为碳源/金属源，利用葡萄糖酸根作为磷酸铁锂与金属源之间的桥梁，既可以实现磷酸铁锂的碳包覆，又可以实现金属掺杂，合成带有碳包覆层及金属掺杂的磷酸铁锂材料。金属离子与葡萄糖酸根离子之间有化学键作用，一方面使得碳包覆和金属掺杂更均匀、磷酸铁锂的晶型更完整；另一方面，金属离子与葡萄糖之间会存在空间位阻效应，限制磷酸铁锂晶粒的生长，在一定程度上缩小磷酸铁锂的颗粒尺寸；因而，最终有助于提升比容量及导电性能。

19、2、本发明提供的方法涉及的工艺和条件无毒、环保、易于操作，有利于磷酸铁锂的量产。尤其，本发明的反应体系中无其他杂志引入，可提高产品的纯度。

20、3、本发明制备的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料同时具有较高的振实密度和克容量。振实密度可达到1.5-1.6g/cm3，克容量可达到150-162mah/g。

21、另外，本发明的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的粒径可通过调节葡萄糖酸盐的加入量进行调控。

技术特征：

1.一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于，所述铁源、磷源、锂源和葡萄糖酸盐的摩尔比为(1～1.15):(1～1.15)：(1～1.15)：(0.06～0.1)。

3.根据权利要求1所述的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，研磨的方法为：先以150-300rmp/min研磨1～3h，再以300～500rmp/min研磨1～3h；

4.根据权利要求1所述的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于，所述葡萄糖酸盐选自葡萄糖酸镁、葡萄糖酸镍、葡萄糖酸铜、葡萄糖酸锌、葡萄糖酸钴和葡萄糖酸锰中的一种或几种组合。

5.根据权利要求1所述的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于，所述铁源为氧化铁、磷酸铁或草酸亚铁的一种或多种；所述锂源为碳酸锂、氢氧化锂或磷酸锂的一种或多种；所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵或磷酸氢二铵的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的烧结条件为：330-370℃烧结2～3h，后升温至650-750℃烧结8～12h。

7.一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料，其特征在于，采用根据权利要求1-6任一项所述的制备方法获得。

8.一种锂离子电池正极材料，其特征在于，包含根据权利要求1-6任一项所述的制备方法获得的碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料。

9.一种锂离子电池，其特征在于，包括根据权利要求8所述的锂离子电池正极材料。

技术总结
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料的制备方法，包括将铁源、磷源、锂源和葡萄糖酸盐混合于溶剂中，得到混合液；研磨所述混合液得到浆料，干燥所述浆料，得到前驱体；将所述前驱体在惰性气氛中进行烧结，即得到所述碳包覆金属掺杂磷酸铁锂材料。本发明方法制备得到了比容量和导电性能优异的材料，在锂离子电池领域具有良好的应用前景。

技术研发人员：谭元忠,李策,沈康,陈宝,陈显辉,方梦珠
受保护的技术使用者：浙江新安化工集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12