一種輕金屬摻雜鋰離子電池錳酸鋰正極材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種輕金屬摻雜鋰離子電池錳酸鋰正極材料的制備和改進方法，采用以下工藝步驟：(1)將錳鹽、鋰鹽、及少量溶劑，混合均勻后，準(zhǔn)備煅燒；(2)將得到的混合物空氣氣氛中加熱，得到前軀體；(3)將前軀體于自然冷卻，加入摻雜元素，再研磨均勻；(4)得到的前軀與適量的包覆材料混合研磨均勻；(5)將上述粉末進行煅燒，得到粉末材料；自然冷卻至室溫后于球磨機中研磨，即得到所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料。本發(fā)明所制備正極材料顆粒均勻，結(jié)晶性能好；本發(fā)明所提供的尖晶石型的正極材料具有比容量高，循環(huán)性能好等較好的電化學(xué)性能；適合大規(guī)?；a(chǎn)，可以用于動力鋰離子電池正極材料使用。
【專利說明】
一種輕金屬摻雜鋰離子電池錳酸鋰正極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池由于其具有高能量、環(huán)境友好等特點而迅速占據(jù)消費市場，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車等領(lǐng)域。縱觀目前主要的幾種正極材料，錳酸鋰LiMn2O4正極材料顯示獨特的優(yōu)勢，即高能量，高放電電壓平臺，高安全性及環(huán)保與價廉等，被認(rèn)為是最有可能替代鈷酸鋰而商業(yè)化的正極材料之一。不過，該材料也存在在高溫循環(huán)性能不佳等不足之處，還不能完全滿足市場需求的高能量，高功率密度。
[0003]針對以上所述錳酸鋰LiMn2O4正極材料存在的缺點，需要提供一種價格便宜，循環(huán)性能佳，低、高溫性能較好的合成方法和尋找好的包覆與摻雜元素。
[0004]目前合成鋰離子電池正極材料的方法主要有固相法，共沉淀法以及溶膠-凝膠法等等。固相法操作簡單，但是容易造成混料不均，顆粒比較大等缺陷。共沉淀法是目前最普遍的方法，不過合成過程復(fù)雜，工藝調(diào)節(jié)控制比較嚴(yán)格，需要經(jīng)過沉淀，洗滌等多個步驟，易導(dǎo)致產(chǎn)品中鎳、鈷、錳比例失調(diào)。而溶膠-凝膠法合成的產(chǎn)品，顆粒均勻，結(jié)晶好，純度高；但最終顆粒的大小不容易控制，生產(chǎn)成本高。本發(fā)明是對現(xiàn)有固態(tài)法的改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種動力鋰離子電錳酸鋰正極材料及其制備與改進方法，該正極材料顆粒均勻，結(jié)晶性能好，具有比容量高，循環(huán)性能好等較好的電化學(xué)性能。
[0006]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述鋰離子電池錳酸鋰正極材料，特征是:所述正極材料的化學(xué)通式為LiMn2O4;
[0007]本發(fā)明還保護一種鋰離子電池極材料的制備方法，特征是，采用以下工藝步驟:
[0008](I)將錳鹽、鋰鹽、及少量溶劑，混合均勻后，準(zhǔn)備煅燒；所述錳鹽、鋰鹽、的摩爾比為2:1 ;
[0009](2)將步驟⑴得到的混合物于100?500°C的空氣氣氛中加熱，加熱時間為5?21小時，，得到前軀體；
[0010](3)將前軀體于自然冷卻，加入摻雜元素，再研磨均勻；
[0011](4)得到的前軀與適量的包覆材料混合研磨均勻；
[0012](5)將上述粉末進行煅燒，煅燒溫度為600?900°C，煅燒時間為6?36小時，得到粉末材料；自然冷卻至室溫后于球磨機中研磨0.5?3小時，即得到所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料。
[0013]所述錳鹽為硫酸錳、硝酸錳、乙酸錳、二氧化錳、碳酸錳、氯化錳中的一種或多種，所述鋰鹽為乙酸鋰、硝酸鋰、碳酸鋰、氫氧化鋰中的一種或多種；所述包覆材料為氧化鋁，氧化鐵，氧化鈦，氧化鎳中的一種或幾種；所述的摻雜元素是鎂，鐵，鈣，鈷，銅，銫中的一種或多種。
[0014]所述助研劑是水和/乙醇。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0016](I)本發(fā)明所制備正極材料顆粒均勻，結(jié)晶度高；
[0017](2)本發(fā)明所提供的尖晶石結(jié)構(gòu)的正極材料具有比容量高，循環(huán)性能好等較好的電化學(xué)性能；適合大規(guī)?；a(chǎn)，可以用于鋰離子電池正極材料使用。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例一所制備的正極材料Liu3AlxMr^97 X04(x = 0.025,0.05,
0.10)的XRD圖譜。
[0019]圖2是本發(fā)明實施例一所制備的正極材料Liu3AlxMr^97 X04(x = 0.025,0.05,
0.10)的首次充放電容量曲線圖。
[0020]圖3是本發(fā)明實施例一所制備的正極材料Li1.Q3AlxMnh97 X04(x = 0.025,0.05,
0.10)的充放電循環(huán)圖。
[0021]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0022]實施例一:一種鋰離子電池錳酸鋰正極材料的制備方法，采用以下工藝步驟:
[0023](I)將二氧化錳和碳酸鋰以摩爾比為2: 1，混合均勻后加1%的乙醇，研磨；
[0024](2)將步驟(I)得到的混合物在150_500°C加熱，加熱時間為12小時，然后自然冷卻，得到干燥的前軀體，研磨均勻；
[0025](3)將干燥的前軀體與Al (N03) 3混合，煅燒，煅燒溫度為700°C，煅燒時間為20小時，煅燒后自然冷卻至室溫后再次在球磨機上研磨0.5小時，即得到所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料 LiL03AlxMnL97 X04(x = 0.025，0.05，0.10)。
[0026]實施例二:一種鋰離子電池錳酸鋰正極材料的制備方法，采用以下工藝步驟:
[0027](I)乙酸錳與乙酸鋰按摩爾比為2: I混合，混合均勻后加I %的乙醇，研磨；
[0028](2)將步驟⑴得到的混合物在100-400°C加熱，加熱時間為12小時，然后自然冷卻，得到干燥的前軀體，研磨均勻；
[0029](3)將干燥的前軀體與Al (N03) 3混合，煅燒，煅燒溫度為650°C，煅燒時間為25小時，煅燒后自然冷卻至室溫后再次在球磨機上研磨1.5小時，即得到所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料 LiL03AlxMnL97 X04(x = 0.025，0.05，0.10)；
[0030]實施例三:一種鋰離子電池錳酸鋰正極材料的制備方法，采用以下工藝步驟:
[0031 ] (I)將碳酸酸錳和乙酸鋰按摩爾比為2:1混合，混合均勻后加I %的乙醇，研磨；
[0032](2)將步驟⑴得到的混合物在100-400°C加熱，加熱時間為12小時，然后自然冷卻，得到干燥的前軀體，研磨均勻；；
[0033](3)將干燥的前軀體與CaO混合，煅燒，煅燒溫度為750°C，煅燒時間為20小時，煅燒后自然冷卻至室溫后再次在球磨機上研磨0.5小時，即得到所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料LiMn204 ；
[0034]將實施例一得到的正極材料進行XRD檢測，結(jié)果如圖1所示，圖1的橫坐標(biāo)為掃描范圍2 Θ (10?90° )，縱坐標(biāo)為峰的強度，可以從圖1中看出，正極材料是尚度有序的尖晶石結(jié)構(gòu)；將材料組裝成扣式電池，并對其進行充放電測試，充放電電壓范圍為3.0?4.5V，如圖2所示，首次放電比容量最大為122.9mAh/g，圖3為充放電循環(huán)曲線；的橫坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)，縱坐標(biāo)為比容量，單位為mAh/g。
【主權(quán)項】
1.一種輕金屬摻雜鋰離子電池錳酸鋰正極材料，其特征是:所述正極材料的化學(xué)通式為LiMn2 XMX04，其中X在O到0.1間，M為Cu，Al，Li，Mg，Zn，F(xiàn)e中的一種或幾種。2.—種輕金屬摻雜鋰離子電池錳酸鋰正極材料的制備方法，其特征是，采用以下工藝步驟: (1)將錳鹽、鋰鹽、及少量溶劑，混合均勻后，準(zhǔn)備煅燒；所述錳鹽、鋰鹽、的摩爾比為2: 1.03 ； (2)將步驟(I)得到的混合物于50?400°C的空氣氣氛中加熱，加熱時間為3?18小時，，得到前軀體； (3)將前軀體于自然冷卻，加入摻雜元素，再研磨均勻； (4)得到的前軀與適量的包覆材料混合研磨均勻； (5)將上述粉末進行煅燒，煅燒溫度為600?950°C，煅燒時間為6?36小時，得到粉末材料；自然冷卻至室溫后于球磨機中研磨0.5?3小時，即得到所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料。3.如權(quán)利要求2所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料的制備方法，其特征是:所述錳鹽為硫酸錳、硝酸錳、乙酸錳、二氧化錳、碳酸錳、氯化錳中的一種或多種，所述鋰鹽為乙酸鋰、硝酸鋰、碳酸鋰、氫氧化鋰中的一種或多種；所述包覆材料為氧化鋁，氧化鐵，氧化鈦，氧化鎳中的一種或幾種；所述的摻雜元素是鋰，鋁，鎂，鐵，鈣，鈷，銅，銫中的一種或多種。4.如權(quán)利要求2所述的動力鋰離子電池錳酸鋰正極材料的制備方法，其特征是:所述助研劑是水和/乙醇。
【文檔編號】H01M4/62GK105895866SQ201410840727
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月25日
【發(fā)明人】張海朗, 唐婷
【申請人】江南大學(xué)