本技术涉及一种高电压磷酸锰铁锂正极材料及其制备方法和应用,属于锂电池材料技术领域。该制备方法包括配制含有可溶性磷酸根化合物、可溶性二价铁盐和可溶性锰盐的溶液,以及后续的沉淀、过滤、干燥和热处理等步骤,最终得到高电压磷酸锰铁锂正极材料。该材料具有优异的电化学性能,可广泛应用于锂电池领域。
背景技术
锂离子电池作为现代科技领域的核心能源存储设备,在现代能源的转换和存储中发挥着不可替代的支撑作用;随着清洁能源存储行业和电动汽车的快速发展,市场对锂离子电池的能量密度、循环寿命、安全性和充电速度等性能提出了更高要求;正极材料作为锂离子电池体系中的关键材料之一获得了广泛的关注,在各种正极材料中,橄榄石结构的磷酸锰铁锂兼具无毒、无污染、安全性好、成本低、能量密度高和循环寿命长的优点,已然成为下一代锂离子电池正极的重要候选者。
相比于已经商业化的磷酸铁锂,磷酸锰铁锂存在着更低的电子/离子电导率、更低的压实密度、更复杂的相变机制以及Jahn-Teller效应导致的结构畸变和Mn的溶出等问题。为了解决这些问题,人们已经提出了一系列改善措施,囊括新的合成方法、碳包覆及其改性、体相掺杂、表面改性以及制备类球形颗粒等,这些方法在一定程度上加快了磷酸锰铁锂正极的锂扩散动力学、提高了材料的振实和压实密度、稳定了脱嵌锂过程中的晶格结构并限制了Mn的溶出;然而,磷酸锰铁锂正极存在着一个被普遍忽视的缺陷,即在高倍率放电的过程中颗粒内部由于锂的非均性会产生明显的应力应变,从而导致较为严重的平台电压降低现象,使得Mn3+
的放电电压偏离原本Mn2+
/Mn3+
氧化还原反应的工作电压;本申请发明人研究发现,这种应力应变会随着磷酸锰铁锂颗粒尺寸大幅度减小而得到一定的缓解。
目前,合成小尺寸磷酸锰铁锂颗粒的主要方法为液相法,其液相体系可分为纯水、有机物或非水溶剂、水和有机物混合溶剂;其中,纯水体系下主要是利用高温高压的水热环境促进各原料(如磷源、铁源、锰源等)溶解和反应,具有合成周期短、成本低、产物纯度高等优点。然而,为了获得尺寸较小的颗粒,该体系下通常需要额外添加大量辅助剂或采用微波等手段,并且所能达到的最小颗粒尺寸仍有限制;有机物或非水溶剂体系是基于纯水体系发展而来的,借助有机物或非水溶剂对形貌的调控作用来细化颗粒产物,相比于纯水体系,该体系下可以获得更小尺度的颗粒,但由于初始原料在有机物或非水溶剂中的溶解度会大幅度降低,所以单次合成产量会显著减少;水和有机物混合溶剂体系结合了前面两种液相体系的优点,既能提高初始原料的溶解度,从而提高单次合成的产量,又能获得小尺度的颗粒,因此被广泛应用,但该体系仍依赖于高压密闭反应环境,对设备的要求较高,且安全性较低。
实现思路