[发明专利]一种锂离子电池高容量正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于锂离子电池、具有三维管状有序结构、纳米级的高容量电极材料及其制备方法，属于锂离子电池材料制备领域。

背景技术

正极材料是锂离子电池的重要组成部分，也是锂离子电池中成本最高的部分。目前的商品化的锂离子电池几乎都采用钴酸锂(LiCoO₂)作为正极材料。电池在充电状态下，失去部分锂离子的层状结构钴酸锂非常不稳定，容易发生化学反应，如果局部温度过高，电池就会“热失控”，引发起火甚至爆炸。电池容量越大，热失控的概率越大。因此，大容量锂离子电池的安全性问题日益突出，低成本、高容量和高安全性的正极材料产业化开发极为迫切。

层状过渡金属氧化物xLi₂MnO₃·(1-x)Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂(0＜x＜1)是锰酸锂(Li₂MnO₃)与Li[Mn_1/3Ni_1/3Co_1/3]O₂的固溶体材料，具有较高的比容量(大于200mAh/g)。其在过渡金属层中含有一定量的锂，因此实际放电容量大于通常的层状正极材料如钴酸锂(150mAh/g)、锰酸锂(130mAh/g)。该材料在4.5V左右有一个脱锂伴随脱氧的过程，其中Li₂MnO₃组分得到了活化，从而能在放电过程中表现出高比容量，同时Li₂MnO₃组分在充放电的过程中还能起到稳定电极材料结构的作用。

电极材料的结构对电池性能具有很大的影响。管状电极材料具有如下优点：使电子具有更快的迁移速度；为电化学反应提供更多的锂离子活性点；弱化循环过程中体积膨胀对材料结构的影响，延长电池循环寿命，提高电极材料高倍率放电性能。要想材料能在高倍率放电时保持高比容量，仅纳米化活性物质颗粒是不够的，材料结构中必需要有可供电子和离子快速移动的通道，而管状结构就满足了相应要求。

目前，未见有关合成有序管状结构的xLi₂MnO₃·(1-x)Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂(0＜x＜1)的公开报道。本发明人经过深入的研究，发现在合成过程中加入模板剂，并控制合成条件能够合成出有序管状结构的产物。

发明内容

本发明的目的是提供一种高容量、高倍率性能的锂离子电池电极材料xLi₂MnO₃·(1-x)Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂。

本发明的另一个目的是提供一种锂离子电池正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂的制备方法，依该法制备出具有三维管状有序结构、管径为20nm～700nm的容量高、倍率性能好、循环稳定性好的电极材料。

一种锂离子电池正极材料，其特征在于：正极材料为富锂型层状结构，具有三维管状有序结构，化学分子式为：xLi₂MnO₃·(1-x)Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂，其中0＜x＜1。

该材料在2.8～4.8V之间的放电容量＞230mAh/g，1.0C下循环40周后的容量保持率＞96％，具有良好的倍率性能。

本发明锂离子电池正极材料的制备方法是按以下技术方案实现的：

(1)采用镍、锰、钴、锂的可溶性盐为原料，按xLi₂MnO₃·(1-x)Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂材料组分中镍、锰、钴、锂的比例配制成镍盐、锰盐、钴盐和锂盐的混合水溶液；