一種高性能的錳基鋰離子電池正極材料及制備方法與流程

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本發(fā)明屬于鋰離子電池正極材料領域，涉及一種高性能的錳基鋰離子電池正極材料及制備方法。

背景技術：

新能源行業(yè)是目前全球改善能源短缺及環(huán)境保護的一個重要發(fā)展方向。鋰離子電池由于具有高的工作電壓，且無記憶效應、自放電小、能量密度大和循環(huán)壽命長的優(yōu)點，受到廣泛的關注。目前鋰離子電池主要朝高能量密度、低生產成本、高安全方向發(fā)展。

錳是在地殼中廣泛分布的元素之一，因此原材料成本相對較低。目前錳基材料是鋰離子電池正極材料重要發(fā)展方向。尖晶石錳酸鋰以及元素摻雜特別是鎳摻雜的鎳錳酸鋰因具有較高的電壓平臺，且價格低、容量高、環(huán)境友好，至今一直受到國內外很多學者及研究人員的極大關注。三元鎳鈷錳材料具有熱穩(wěn)定性好、能量密度高等優(yōu)點，是目前行業(yè)內追求高能量密度的主要發(fā)展方向。但錳基正極材料在循環(huán)過程中，會發(fā)生金屬元素溶解，尤其是Mn離子易溶出并在負極表面沉積，從而阻止了鋰離子的快速擴散，并導致電池在循環(huán)過程中容量衰減。

為了減少錳溶出，減小正極材料和電解液接觸面積，抑制電解液對正極材料的侵蝕，降低電解液與活性材料界面電阻，對正極材料進行表面包覆，可以有效改善電池的循環(huán)性能。近年來，Al₂O₃、ZrO₂、LiAlO₂、TiO₂、AlPO₄等化合物已應用于錳基正極材料的包覆，且方法多以金屬醇鹽或烷基金屬鹽為前驅體，用溶膠凝膠法制備從而得到表面有一層包覆物的正極材料，通常包覆后會影響正極材料的克容量及倍率性能。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種高性能的錳基的鋰離子電池正極材料及制備方法，可以抑制錳離子的溶出，有效的減小了電解液與正極材料的界面膜阻抗，并能顯著改善循環(huán)及倍率性能。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種高性能的錳基鋰離子電池正極材料，所述正極材料為在錳基鋰離子電池正極材料的表面均勻包覆有LiGaO₂。

優(yōu)選地，所述錳基鋰離子電池正極材料為鎳鈷錳酸鋰、富鋰、錳酸鋰以及摻雜的錳酸鋰中的一種。

制備所述一種高性能的錳基鋰離子電池正極材料的方法，該方法包括如下步驟：

(1)按照LiGaO₂占待包覆錳基鋰離子電池正極材料質量分數(shù)0.5-3％的量稱取LiNO₃和Ga(NO₃)₃,溶于去離子水中，將待包覆錳基鋰離子電池正極材料粉末分散到該溶液中，在室溫下攪拌,干燥，得到LiGaO₂包覆的錳基鋰離子電池正極材料的前驅體；

(2)將LiGaO₂包覆的鋰離子電池錳基正極材料的前驅體在600℃-800℃下熱處理，即得到本發(fā)明所述的高性能的錳基鋰離子電池正極材料。

進一步方案，所述步驟(1)中攪拌時間大于0.5h。

進一步方案，所述步驟(1)中干燥條件為：80℃-100℃溫度范圍動態(tài)干燥。

進一步方案，所述步驟(2)中熱處理時間大于3h。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明主要是利用一種能夠提供和接收鋰離子以提高正極材料離子傳導率的離子導體LiGaO₂包覆在錳基鋰離子電池正極材料的表面，抑制了錳基活性材料表面鈍化膜的形成，降低了電解液與電極材料的界面電阻，并減少了錳離子的溶出，從而使得鋰離子電池具有更好的循環(huán)性能，并提高了電池的容量和倍率性能。此外，本發(fā)明得到的LiGaO₂包覆的鋰離子電池錳基正極材料制備方法簡單，易于工業(yè)化生產。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中包覆質量分數(shù)3％LiGaO₂的鎳錳酸鋰正極材料與未包覆的倍率性能對比圖。

圖2為本發(fā)明實施例1中包覆質量分數(shù)3％LiGaO₂的鎳錳酸鋰正極材料與未包覆的循環(huán)性能對比圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明有更深的了解，下面結合實施例對技術方案進行清楚、完整地描述，但是本方面的實施例僅僅是為了解釋本發(fā)明，并非限制本發(fā)明，本領域技術人員在有沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施案例，均屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

質量分數(shù)3％LiGaO₂包覆的鎳錳酸鋰正極材料的制備

稱量0.571g LiNO₃和2.118g Ga(NO₃)₃溶于10mL去離子水，利用磁力攪拌器進行攪拌直至溶解，將30g LiNi_0.5Mn_1.5O₄基體粉末分散到溶液中，在室溫下攪拌1h，80℃動態(tài)干燥，隨后在700℃下熱處理5h，即得到目標高性能LiGaO₂包覆的鎳錳酸鋰鋰離子電池正極材料。將所制備的LiGaO₂包覆的鎳錳酸鋰材料與未包覆鎳錳酸鋰材料裝配成2016型扣式電池進行電化學測試，圖1、圖2分別為兩種材料的倍率及循環(huán)性能對比。其中未包覆的鎳錳酸鋰材料在不同倍率(0.2C、0.5C、1C、2C、3C)下充放電，對應的放電比容量分別為129.1、129.3、128.5、127.1、125.5mAh/g。3C循環(huán)200周容量保持率為88％。本專利提供的方法得到LiGaO₂包覆的鎳錳酸鋰材料不同倍率(0.2C、0.5C、1C、2C、3C)下充放電，對應的放電比容量分別為133.2、132.8、132.1、131.3、130.3mAh/g。3C循環(huán)200周容量保持率為95％。

實施例2

質量分數(shù)1％LiGaO₂包覆富鋰層狀鋰離子電池正極材料Li_1.2Ni_0.25Mn₀.75O₂的制備

稱量0.127g LiNO₃和0.471g Ga(NO₃)₃溶于10mL去離子水，利用磁力攪拌器進行攪拌直至完全溶解，將20g Li_1.2Ni_0.25Mn_0.75O₂基體粉末分散到溶液中，用磁力攪拌器在室溫下攪拌1.5h，90℃動態(tài)干燥，隨后在650℃下熱處理6h，即得到目標LiGaO₂包覆的富鋰鋰離子電池正極材料。將所制備的LiGaO₂包覆的富鋰層狀材料裝配成2016型扣式電池進行電化學測試，得到不同倍率(0.2C、0.5C、1C、2C)下充放電，對應的放電比容量分別為256.4、243.2、235.4、229.1mAh/g。1C循環(huán)200周容量保持率為79％。

實施例3

質量分數(shù)0.5％LiGaO₂包覆三元材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的制備

稱量0.095g LiNO₃和0.353g Ga(NO₃)₃溶于10mL去離子水，利用磁力攪拌器進行攪拌直至完全溶解，將30g LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂基體粉末分散到溶液中，用磁力攪拌器在室溫下攪拌2h，100℃下動態(tài)干燥，隨后在650℃下熱處理4h，即得到目標LiGaO₂包覆的三元鋰離子電池正極材料。將所制備的LiGaO₂包覆的三元材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂裝配成2016型扣式電池進行電化學測試，得到的LiGaO₂包覆的三元材料在不同倍率(0.2C、0.5C、1C、2C、3C)下充放電，對應的放電比容量分別為162.1、155.3、143.1、141.3、135.7mAh/g。3C循環(huán)100周容量保持率95％。