[发明专利]一种锂离子二次电池正极粉末材料的诱导结晶合成方法

说明书

(一)技术领域：

本发明属于新能源材料技术领域，为锂离子二次电池提供一种具有高循环稳定性及优异高温循环性能的正极粉末材料。

(二)背景技术：

锂离子二次电池自上世纪90年代由日本SONY公司发明以来，因为具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、绿色环保等一系列优点，所以在便携式电子设备如无绳电话、笔记本电脑、音乐播放器、数码相机等领域获得了飞速发展，成为二次电池发展的主要方向。能源危机及环境污染使得寻找洁净、可再生的二次能源成为实现人类社会可持续发展亟待解决的任务；同时由于锂离子二次电池的上述优点，作为一种能量储存装置，其应用领域不断扩大并向大型化发展。目前在电动自行车、电动摩托车、电动工具、混合动力车、纯电动车、储能等领域已有应用并不断发展。

正极材料是锂离子二次电池的主要构件及性能优劣的关键决定因素之一。目前商品化的锂离子二次电池用正极材料有层状结构的LiCoO₂、Li(Ni，Co，Mn)O₂、Li(Ni，Co，Al)O₂，尖晶石结构的LiMn₂O₄，以及橄榄石结构的LiFePO₄等。其中层状结构的正极材料具有安全性较差、成本高等缺点；橄榄石结构的正极材料存在电导率低、倍率性能差等缺点；而尖晶石结构的LiMn₂O₄正极材料及其改性衍生物则具有资源广泛、成本较低、电压平台高、充放电性能优良、安全性能好、环境友好等优点，是下一代锂离子电池特别是动力性锂离子电池最具前景的材料之一。

目前尖晶石结构的LiMn₂O₄正极材料及其改性衍生物的合成方法一般有共沉淀法、溶胶-凝胶法、高温固相法等。其中共沉淀法和溶胶-凝胶法易于实现金属元素在原子水平上的均匀混合，具有合成温度低、形貌优良、电化学性能好等优点，但是也存在合成工艺复杂、成本高、产品压实密度低、工业化生产困难等一系列缺点。而高温固相法一般将锰化合物和锂化合物以特定比例混匀后在700～850℃的温度范围内烧制而成，因为生产操作简单、易于工业化生产等成为尖晶石类正极材料的首选生产方法。但是上述传统高温固相法生产的材料一般情况下具有如下不足，即产品结晶性差、掺杂不均匀、结晶表面形貌不规则、压实密度低、杂质含量高等，进而造成如Mn等金属元素的溶解、电解液在高电位下分解、一定情况时发生姜-泰勒效应、材料晶格的不稳定等，又进而造成产品比容量低、循环寿命较短(尤其是高温时的循环寿命)、制作成电池后能量密度低等一系列缺点。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种锂离子二次电池用正极粉末材料的诱导结晶合成方法，它能够提高产品结晶特性和掺杂均匀度，合成具有表面规则、压实密度高、杂质含量低等特点的尖晶石结构的正极材料，对提高锂离子电池性能、推动锂离子电池更加广泛的应用具有重要的经济意义和实用价值。

一种锂离子二次电池用正极粉末材料的诱导结晶合成方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)按金属元素原子比n_Li∶(n_Mn+n_M)＝0.40～0.75，将含锂化合物、含锰化合物、含掺杂元素的化合物或熔点在860℃以下的固体物质中的一种或几种作为晶体生长的原料，加入固体粉末作为结晶基体；所述固体粉末的特征为主体具有Li_1+xMn_2-y-zM_zO_3-δ的组成通式，其中M为掺杂元素，-1≤x≤1；-1≤y≤2；y-x≤1；0≤z≤0.75；-0.5≤δ≤0.5，δ由金属离子的价态确定以保持电中性；

(2)将上述物质进行均匀混合或结合，得到粉末原料；

(3)在含氧气氛中，以600～1100℃的高温下煅烧至少一次后，得到终产物即主体为尖晶石结构的锂离子二次电池用正极粉末材料。