一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用，所述磷酸铁锂正极材料的化学式为

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]磷酸铁锂作为一种主流的锂离子电池用的正极材料，具有优异的结构稳定性以及热稳定性，其真密度约为
3.4g/cm3，理论克容量约为
170mAh/g。
但是，一方面，受限于磷酸铁锂材料本身的动力学性能，一般需要对其做纳米化处理，以缩短材料中锂离子迁移到固液界面的距离，但纳米级材料的堆积使得其在极片中的实用压实密度多在
2.3~2.6g/cm3；另一方面，为了解决磷酸铁锂材料电子电导率低的弊端，还需要在材料表面包覆导电碳层，但石墨化碳的真密度仅约
2.1g/cm3，且如果包覆碳层不能紧密贴合而是以游离碳的形式存在，更会影响磷酸铁锂材料在极片中的压实密度，从而造成极片发脆
、
易断裂的问题
。
[0003]为提高磷酸铁锂电池的能量密度，可以采取颗粒级配的策略，即使用不同粒径大小的颗粒搭配，从而有效提高磷酸铁锂材料的压实密度
。
例如
CN116395656A
公开了一种高压实磷酸铁锂正极材料的制备方法，具体流程为：
1、
将碳源
、
不同粒径的磷酸铁原料
、
锂源和去离子水按照一定的摩尔比分为质量不同的2份料浆；
2、
将步骤1得到的两份料浆研磨至一定粒径；
3、
将步骤2中的两份料浆少的一份停止研磨进行搅拌，多的一份继续研磨至一定粒径；
4、
将步骤3中得到的不同粒径的磷酸铁锂料浆混合，喷雾干燥
、
惰性气氛中煅烧，最后粉碎得到磷酸铁锂
。
[0004]虽然级配策略能够有效提高磷酸铁锂材料的压实密度，但是仍然存在一定的不足：第一，在充放电过程中，大小颗粒内部锂离子的迁移距离差异大，导致在相同电压下脱嵌锂程度不同，造成小颗粒在电池的长期使用过程中衰减速率高于大颗粒，从而加速电池的容量衰减；第二，大颗粒本身动力学性能差，级配材料可能对电池的直流内阻以及倍率性能造成负面影响；第三，减少碳包覆的量可能导致材料的电子电导率降低，同样造成电池的内阻增大
。
[0005]因此，开发一种可以同时满足高电子电导率
、
高压实性能以及长循环寿命的磷酸铁锂正极材料具有重要意义
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用
。
本专利技术提供了一种具有碳包覆层的磷酸铁锂正极材料，通过限定材料比表面积
、
粒径和碳包覆层的质量分数三者之间的关系，使得该磷酸铁锂正极材料可以同时满足高电子电导
、
高压实性能需求，在电池充放电过程中衰减速率差异小，能够有效支撑较长的循环寿命，具有优异的电化学性能
。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种磷酸铁锂正极材料，所述磷酸铁锂正极材料的化学式
为
Li
x
Fe
y
M1‑
y
PO4/C
，式中，
0.9≤x≤1.1
，
0≤1
‑
y≤0.05
，
M
为掺杂金属元素；
[0009]所述磷酸铁锂正极材料满足以下关系式Ⅰ：
[0010]5≤S
×
(D90
‑
D50)/W
C
≤15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式Ⅰ；
[0011]其中，
S
为所述磷酸铁锂正极材料的比表面积，单位为
m2/g
；
Wc
为所述磷酸铁锂正极材料中碳包覆层的质量分数，单位为
wt.%
；
D90
和
D50
为所述磷酸铁锂正极材料中磷酸铁锂的体积分布累计达到
90%
和
50%
时对应的粒径，单位为
μ
m。
[0012]需要说明的是，本专利技术提供的磷酸铁锂正极材料
Li
x
Fe
y
M1‑
y
PO4/C
包括磷酸铁锂内核及碳包覆层，磷酸铁锂内核的化学式为
Li
x
Fe
y
M1‑
y
PO4，碳包覆层包覆在磷酸铁锂内核的外表面
。
[0013]本专利技术提供了一种具有碳包覆层的磷酸铁锂正极材料，通过限定材料比表面积
、
粒径和碳包覆层的质量分数三者之间的关系，使得该磷酸铁锂正极材料可以同时满足高电子电导
、
高压实性能需求，且该磷酸铁锂正极材料粒径集中度高，在电池充放电过程中衰减速率差异小，能够有效支撑较长的循环寿命，具有优异的电化学性能
。
[0014]本专利技术中，该正极材料的高粒径集中度可以获得更为均匀的材料衰减速率，从而有效延长材料的循环寿命
。
本专利技术中，
S
×
(D90
‑
D50)/W
C
的取值例如可以是
15、14、13、12、11、10、9、8、7、6
或5等
。
但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用
。
[0015]本专利技术中，若
S
×
(D90
‑
D50)/W
C
＞
15
，则意味着
S/Wc
的值大，或
(D90
‑
D50)
的差值大，前者往往是因为碳源在材料制备过程中没有形成紧贴材料表面的包覆结构，生成大量游离碳而造成；后者则一般是烧结后形成了大小颗粒粒径差异过大的级配材料而导致
。
在第一种情况下，材料在制成极片后很容易出现辊压发脆，断片的问题，影响其极限压实密度；在第二种情况下，大颗粒材料的动力学特性差，且由于大小颗粒锂离子扩散距离的不同，导致相同电压下脱嵌锂程度不一致，从而造成部分材料的衰减速度加剧，电池的循环性能差
。
[0016]本专利技术中，若
S
×
(D90
‑
D50)/W
C
<5
，则意味着
S/Wc
的值小，或
(D90
‑
D50)
的差值小，前者说明碳源形成了颗粒状的石墨化碳材料而非类石墨烯碳层，后者则说明材料的集中度过高
。
在前者情况下，碳材料比表面过小，没有依附在磷酸铁锂材料表面，无法在极片中形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种磷酸铁锂正极材料，其特征在于，所述磷酸铁锂正极材料的化学式为
Li
x
Fe
y
M1‑
y
PO4/C
，式中，
0.9≤x≤1.1
，
0≤1
‑
y≤0.05
，
M
为掺杂金属元素；所述磷酸铁锂正极材料满足以下关系式Ⅰ：
5≤S
×
(D90
‑
D50)/W
C
≤15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式Ⅰ；其中，
S
为所述磷酸铁锂正极材料的比表面积，单位为
m2/g
；
Wc
为所述磷酸铁锂正极材料中碳包覆层的质量分数，单位为
wt.%
；
D90
和
D50
为所述磷酸铁锂正极材料中磷酸铁锂的体积分布累计达到
90%
和
50%
时对应的粒径，单位为
μ
m。2.
根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料，其特征在于，所述
M
包括
Ti、Mg、V
和
Al
中的任意一种或至少两种的组合
。3.
根据权利要求1或2所述的磷酸铁锂正极材料，其特征在于，
6≤S
×
(D90
‑
D50)/W
C
≤13。4.
根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料，其特征在于，所述
S
的取值范围为8‑
15m2/g
；所述
Wc
的取值范围为
0.4
‑
1.8wt.%
；所述
D90
的取值范围为
1.5
‑
3.5
μ
m
；所述
D50
的取值范围为
0.3
‑
1.5
μ
m。5.
根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料，其特征在于，所述磷酸铁锂正极材料满足以下关系式Ⅱ：
D99
‑
D10≤5
μ
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式Ⅱ；其中，
D99
和
D10
为所述磷酸铁锂正极材料中磷酸铁锂的体积分布累计达到
99%
和
10%
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚毅，王曈，史彩红，刘微，侯敏，曹辉，
申请(专利权)人：上海瑞浦青创新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：