[发明专利]基于过渡金属碳酸盐前驱体的锂离子电池正极材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到锂离子二次电池材料制备领域，具体指一种基于过渡金属碳酸盐前驱体的锂离子电池正极材料制备方法。

背景技术

自从上世纪九十年代首次商业化生产以来，锂离子二次电池已经广泛应用于手机、笔记本电脑、音乐播放器等个人电子设备。由于锂离子二次电池具有较高的能量密度和优异的充放电性能，人们正在尝试将锂离子二次电池(代替常规能源)作为电源用于电动汽车等大型机械设备领域，从而解决二十一世纪人类社会发展中可能面对的能源枯竭等问题。在锂离子二次电池技术领域，锂离子电池正极材料的研发被认为是有待解决的核心问题之一，可以说锂离子电池性能的发挥在很大程度上依赖于锂离子电池正极材料的选择及其合成制备方法。和其他材料一样，锂离子电池正极材料的研发也经历了一个较长的发展过程。尽管层状钴酸理是最早商业化的锂离子电池正极材料，但由于钴酸理材料自身存在的一些问题(成本过高、安全性能不好、热稳定性能较差、易对环境造成破坏等)而逐渐被其他新型锂离子电池正极材料所取代。

在众多新开发的锂离子二次电池正极材料中，过渡金属氧化物(即过渡金属镍、锰、钴中的一种或几种完全或部分取代钴酸理中的钴原子)被普遍认为综合性能最为稳定的正极材料。目前研究较多的过渡金属氧化物材料主要有：锰酸锂系列(见Journal ofPower Sources 51(1994)：79.)；镍锰酸锂系列(见Journal of the Electrochemical Society 144(1997)：205.)；镍钴锰系列(见Chemistry Letters(2001)：642.)。对上述材料的合成制备方法也有不少文献报道，其中直接固相法(见Journal of Power Sources 189(2009)：507.)虽然制备方法简单、成本较低，但由于很难保证合成原料充分混合，从而对所得材料的电化学性能有较大影响。因此在公布号分别为CN101844817和CN101465420A的专利中，发明人分别采取了溶胶凝胶法、喷雾干燥热处理的方式制备过渡金属氧化物锂离子电池正极材料，虽然达到了制备原料充分混合的目的，但所得材料仍然存在形貌不规则、粒径不均匀等问题。同时很多研究者提出先利用共沉淀法制备过渡金属氧化物球形前驱体，然后制备基于过渡金属氧化物前驱体的锂离子电池正极材料可以大幅度提高材料倍率充放电以及循环稳定性能(见Materials Chemistry and Physics 103(2007)：19.)。虽然利用共沉淀法制备的材料电化学性能较为优异，但由于工艺过程复杂、需要精确调控各类反应参数(溶液浓度、酸碱性)、反应时间长，不利于材料的商业化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种能获得形貌规则、粒径均匀、电化学性能好且制备方法简单、成本低的基于过渡金属碳酸盐前驱体的锂离子电池正极材料制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该基于过渡金属碳酸盐前驱体的锂离子电池正极材料制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)按过渡金属元素化合物∶沉淀剂∶添加剂＝1∶0.1～2∶0.1～0.5的质量比将三者配成过渡金属离子浓度为0.01M～10M的混合溶液，将该混合溶液置于反应釜中在80℃～200℃进行水热反应，反应时间为2h～48h，然后对反应产物洗涤、干燥，得到过渡金属碳酸盐前驱体；

其中，所述的过渡金属元素化合物为Ni、Co和Mn的化合物中的一种或多种；所述的沉淀剂为在加热条件下能释放碳酸根离子的化合物，较好的，可以选用尿素或六次甲基四胺；所述的添加剂为表面活性剂；较好的，可以选用十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或二乙醇胺；

以过渡金属元素化合物沉淀剂过量10％～200％；所需的添加剂用量占总质量的0～50％；

(2)将制得的过渡金属碳酸盐前驱体与符合化学计量比例的锂化合物充分混合后置于空气气氛炉中进行热处理得到所需的基于过渡金属碳酸盐前驱体的锂离子电池正极材料；

其中，所述的热处理包括三个阶段，第一段温度为室温至550℃，第二段温度为750～1000℃，第三段温度为500～800℃。

微波加热恒温烧结时间为10分钟～4小时，电阻式加热恒温烧结时间为1小时～20小时。

其中，所述的锂化合物为锂的氢氧化物、氧化物、硫酸盐、碳酸盐或硝酸盐；