[发明专利]一种高性能锂离子电池正极材料锰酸锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能锂离子电池正极材料锰酸锂及其制备方法，属于锂离子电池正极材料及其制备技术领域。

背景技术

随着世界各国对新能源电池产业的政策倾斜，锂离子动力电池作为21世纪发展的理想能源，越来越受到人们的关注。在锂离子电池的组成中包括电极(正负极)材料、隔膜和电解质。负极材料以石墨、固体碳粒为主；在正负极中间则是电池电解液和隔膜；而正极材料则是锂电池的核心，是决定其电化学性能、安全性能以及未来发展方向的重要因素，尤其是在动力锂离子电池的安全性问题中，电极材料中的正极材料则更是关键，也是引发锂离子动力电池安全隐患的主要原因。

在目前商品化的锂离子电池中，正极材料主要采用的还是钴酸锂(LiCoO₂)。但由于钴是一种比较贫乏的资源，价格昂贵，并且钴酸锂的安全隐患并没有得到很好的解决，不适合用在动力电池领域。然而，具有尖晶石结构的锰酸锂是除钴酸锂外开发最早的正极材料，是一种安全性比钴酸锂更加优越的正极材料。而且，锰的资源比钴要更加丰富(尤其是中国，储量居世界第三)，价格低廉，对环境友好。同时，锰酸锂具有放电电压高，技术成熟，安全性好，具有其他层状结构正极材料所不能比拟的高倍率充放电能力等优点，因而目前在推广锂电动力电池方面，锰酸锂具有很大优势，已经成为锂离子电池正极材料研究的重点之一。但是，尖晶石型锰酸锂材料的比容量低，在高温时性能不稳定，且由于电解液中存在的HF而导致的锰的溶解造成锰酸锂容量衰减很快，同时在深度充放电时容量衰减较快等问题。上述问题都极大的限制了其在实际锂离子电池中的应用，并且已经成为锰酸锂能否规模化应用，尤其是在大电流充放电电池上应用的关键。

虽然许多研究者已经做了大量的工作，积极研发采用了溶胶—凝胶法(C.J.Curtis，J.X.Wang，D.L.Schulz，J.Electrochem.Soc.151(2004)A590.)、硬模板法(J.Cabana，T.Valdes-Solis，M.R.Palacin，J.Oro-Sole，A.Fuertes，G.Marban，A.B.Fuertes，J.Power Sources 166(2007)492.)、水热法(①J.Y.Luo，X.L.Li，Y.X.Xia，Electrochim.Acta 52(2007)4525；②C.H.Jiang，S.X.Dou，H.K.Liu，M.Ichihara，H.S.Zhou，J.Power Sources 172(2007)410.)等多种方法来制备锰酸锂正极材料，并不同程度的使锰酸锂正极材料的电性能有了一定的提高，但是，由于上述方法工艺复杂或者成本较高，不仅不适应于工业上的规模化生产，而且仍然不能满足实际应用中二次锂离子电池对锰酸锂正极材料越来越高的要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术上的不足之处，提供一种操作方法简单易行、所需原材料价格低廉、生产成本低、利于环保、便于工业上规模化生产的高性能锂离子电池用锰酸锂正极材料。

本发明的另一目的是提供一种晶体结构完美、充放电容量和充放电循环性能优良、使用寿命长、电性能稳定的高性能锂离子电池用锰酸锂正极材料，该材料尤其适合作为电动车用锂离子电池理想的正极材料。

本发明通过以下方式实现上述目的，所述的高性能锂离子电池正极材料锰酸锂的化学通式为LiMn_2-yX_yO₄，该材料是通过掺杂有一种或者多种其他金属元素X来实现的，其中，X为铝(Al)、锂(Li)、氟(F)、硼(B)、银(Ag)、铜(Cu)、铬(Cr)、锌(Zn)、钛(Ti)、铋(Bi)、锗(Ge)、镓(Ga)、锆(Zr)、锡(Sn)、硅(Si)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)和稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)中的至少一种，0＜y≤0.11。而更优选的掺杂方式为掺杂2种或者2种以上的上述元素。

一种高性能锂离子电池正极材料锰酸锂及其制备方法，其特征在于，该方法依次按如下步骤进行：

(1)按化学计量比称取锂源、锰源和X元素的源化合物进行混合球磨4～12小时，然后干燥；