一种磷酸锰铁锂复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于锂离子电池，具体涉及一种磷酸锰铁锂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着新能源行业的快速发展，锂离子电池以其工作电压高、比能量大、循环寿命长、污染小等优势而得到广泛应用。磷酸锰铁锂具有和磷酸铁锂相同的橄榄石结构。磷酸锰铁锂相较于磷酸铁锂具有更高的能量密度、更高的工作电压，但是磷酸锰铁锂存在电子导电性差、锂离子扩散系数低等问题。

2、现阶段，大多通过对磷酸铁锰锂材料进行碳包覆来提升磷酸铁锰锂材料的性能。但是，碳包覆对包覆层的厚度、均匀性要求很高，往往不能显著地提升正极材料的电子电导率和锂离子导电率等问题，导致由该材料制成的电池的电化学性能欠佳。因此，如何提供一种兼具优异的电子和锂离子传输性能且可加工性强的正极材料，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种磷酸锰铁锂复合材料，通过限定特定的结构和尺寸，并限定电阻率，能够使得该磷酸锰铁锂复合材料兼具优异的电子和锂离子传输性能且可加工性强的正极材料。

2、本发明提供一种磷酸锰铁锂复合材料的制备方法，能够制得上述性能优异的磷酸锰铁锂复合材料，其制备过程简便易操作，有助于实现规模化生产。

3、本发明还提供一种正极片，由于包括上述磷酸锰铁锂复合材料，将该正极片组装形成电池，该电池的能量密度高、热稳定性高，在高温时充放电循环稳定性佳。

4、本发明还提供一种锂离子电池，由于包括上述磷酸锰铁锂复合材料，该电池的能量密度高、热稳定性高，在高温时充放电循环稳定性佳。

5、本发明的第一方面，提供一种磷酸锰铁锂复合材料，所述复合材料包括内核和包覆在内核表面的第一碳包覆层；所述内核由多个纳米颗粒聚集而成；

6、所述内核的平均粒径为600～900nm，所述纳米颗粒的平均粒径为150～400nm；所述第一碳包覆层的厚度为50～100nm；

7、所述纳米颗粒包括磷酸锰铁锂颗粒和包覆在所述磷酸锰铁锂颗粒表面的第二碳包覆层；

8、磷酸锰铁锂复合材料的电阻率为30～120ω·cm。

9、如上所述的磷酸锰铁锂复合材料，其中，所述磷酸锰铁锂颗粒的化学式为limnxfe(1-x)po4，其中，0.5≤x≤1。

10、如上所述的磷酸锰铁锂复合材料，其中，以所述磷酸锰铁锂复合材料的质量为100质量％计，所述磷酸锰铁锂颗粒的质量含量为80～99％，所述第一碳包覆层的质量含量为0.5～10％，所述第二碳包覆层的质量含量为0.5～10％。

11、如上所述的磷酸锰铁锂复合材料，其中，所述磷酸锰铁锂复合材料的0.2c放电比容量≥153mah/g，在0.2c条件下充放电80圈的容量保持率≥96％。

12、如上所述的磷酸锰铁锂复合材料，其中，所述第二碳包覆层的厚度为30～100nm。

13、本发明的第二方面，提供一种第一方面的磷酸锰铁锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

14、将锂源、锰源、铁源、磷源、第一有机碳源和水混合，得到第一物料；

15、将所述第一物料使用0.3～0.4mm的锆珠进行第一研磨处理，得到第二物料；其中，所述第一研磨处理的工作频率为50～70hz；

16、将所述第二物料经第一喷雾干燥处理、第一烧结处理后，得到内核材料；

17、将第二有机碳源在高速粉碎机中进行粉碎处理，得到粉碎后的第二碳源；所述粉碎处理的转速为10000～30000r/min；

18、将粉碎后的第二有机碳源与所述内核材料混合均匀，得到第三物料；

19、将所述第三物料使用0.3～0.4mm的锆珠进行第二研磨处理，得到第四物料；其中，所述第二研磨处理的工作频率为50～70hz；

20、将所述第四物料经第二喷雾干燥处理、第二烧结处理后，得到磷酸锰铁锂复合材料。

21、如上所述的制备方法，其中，所述第一喷雾干燥处理的进口温度为180～210℃，出口温度为60～80℃；

22、所述第二喷雾干燥处理的进口温度为180～210℃，出口温度为60～80℃；

23、所述第一烧结处理的温度为300～600℃，时间为3～6h；

24、所述第二烧结处理的温度为500～800℃，时间为5～8h。

25、如上所述的制备方法，其中，所述磷源包括磷酸、磷酸二氢铵、磷酸钠、磷酸二氢钠中的至少一种；和/或，

26、所述锰源包括氧化锰、草酸锰、碳酸锰、硫酸锰、乙酸锰中的至少一种；和/或，

27、所述铁源包括草酸铁、氧化铁、纯铁、硝酸铁、硫酸铁中的至少一种；和/或，

28、所述锂源包括碳酸锂、氢氧化锂、乙酸锂、硝酸锂、草酸锂中的至少一种；和/或，

29、所述第一有机碳源、第二有机碳源各自独立地包括葡萄糖、蔗糖、聚乙烯醇中的至少一种。

30、如上所述的制备方法，其中，所述锰源、铁源、磷源、第一有机碳源的摩尔比为(0.5～0.7)：(0.3～0.5)：1：(0.04～0.06)；和/或，

31、所述锂源与所述磷源的摩尔比为(1.02～1.2)：1；和/或，

32、所述内核材料与所述第二有机碳源的摩尔比为1：(0.04～0.07)。

33、本发明的第三方面，提供一种正极片，所述正极片包括第一方面所述的磷酸锰铁锂复合材料或者采用第二方面所述的制备方法制得的磷酸锰铁锂复合材料。

34、本发明的第四方面，提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括第三方面所述的正极片。

35、本发明的实施，至少具有以下有益效果：

36、本发明提供的磷酸锰铁锂复合材料，通过限定磷酸锰铁锂复合材料的特定结构，以及纳米颗粒的粒径和第一包覆层的厚度，并限定电阻率，在提高磷酸锰铁锂复合材料的电子电导率的同时，促进锂离子在电极片表面的快速嵌入和快速脱出，从而兼顾提升磷酸锰铁锂复合材料的电子和锂离子传输性能。将该磷酸锰铁锂复合材料组装形成电池，有助于提升能量密度、热稳定性，尤其是在高温时充放电循环稳定性佳。

37、本发明提供的磷酸锰铁锂复合材料的制备方法，能够制得上述性能优异的磷酸锰铁锂复合材料，其制备过程简便易操作，有助于实现规模化生产。

38、本发明提供的正极片，由于包括上述磷酸锰铁锂复合材料，将该正极片组装形成电池，该电池具有优异的能量密度、热稳定性，尤其是在高温时充放电循环稳定性佳。

39、本发明提供的锂离子电池，由于包括上述磷酸锰铁锂复合材料，上述该电池具有优异的能量密度、热稳定性，尤其是在高温时充放电循环稳定性佳。

技术特征：

1.一种磷酸锰铁锂复合材料，其特征在于，所述复合材料包括内核和包覆在内核表面的第一碳包覆层；所述内核由多个纳米颗粒聚集而成；

2.根据权利要求1所述的磷酸锰铁锂复合材料，其特征在于，所述磷酸锰铁锂颗粒的化学式为limnxfe(1-x)po4，其中，0.5≤x≤1。

3.根据权利要求1所述的磷酸锰铁锂复合材料，其特征在于，所述磷酸锰铁锂复合材料的0.2c放电比容量≥153mah/g，在0.2c条件下充放电80圈的容量保持率≥96％。

4.根据权利要求3所述的磷酸锰铁锂复合材料，其特征在于，所述第二碳包覆层的厚度为30～100nm。

5.一种权利要求1-4任一项所述的磷酸锰铁锂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一喷雾干燥处理的进口温度为180～210℃，出口温度为60～80℃；

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述磷源包括磷酸、磷酸二氢铵、磷酸钠、磷酸二氢钠中的至少一种；和/或，

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述锰源、铁源、磷源、第一有机碳源的摩尔比为(0.5～0.7)：(0.3～0.5)：1：(0.04～0.06)；和/或，

9.一种正极片，其特征在于，所述正极片包括权利要求1-4任一项所述的磷酸锰铁锂复合材料或者采用权利要求5-8任一项所述的制备方法制得的磷酸锰铁锂复合材料。

10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括权利要求9所述的正极片。

技术总结
本发明提供一种磷酸锰铁锂复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料包括内核和包覆在内核表面的第一碳包覆层；所述内核由多个纳米颗粒聚集而成；内核的平均粒径为600～900nm，所述纳米颗粒的平均粒径为150～400nm；所述第一碳包覆层的厚度为50～100nm；所述纳米颗粒包括磷酸锰铁锂颗粒和包覆在所述磷酸锰铁锂颗粒表面的第二碳包覆层。通过限定特定的结构和尺寸，能够使得该磷酸锰铁锂复合材料兼具优异的电子和锂离子传输性能且可加工性强的正极材料。

技术研发人员：庄庆儒,冯明燕,孔德香,苑永,李积刚
受保护的技术使用者：天津容百斯科兰德科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24