[发明专利]一种高容量层状富锂锰基氧化物的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到锂离子电池正极材料技术领域，具体指一种高容量层状富锂锰基氧化物的制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池正极材料层状钴酸锂、尖晶石锰酸锂与橄榄石磷酸铁锂材料已得到广泛的应用，但是这些正极材料通常具有100-160mAh/g的放电比容量，对应的锂离子电池能量密度较低，不能解决电动汽车偏重、续航里程较短的问题。所以为了满足纯电动或混合电动汽车的需求，发展具有高容量、低成本以及热稳定性好等优越性能的电池材料成为迫切的需要。

层状富锂锰基氧化物正极材料Li[Li_0.2Mn_0.8-δ-α-βNi_αCo_βM_δ]O₂容量超高，在C/20的电流密度下，放电容量可达280mAh/g，几乎是其它锂离子电池正极材料的两到三倍。除此之外，层状富锂锰基氧化物正极材料具有循环性能优越，热稳定性高以及成本低的巨大优势。近年来，层状富锂锰基氧化物引起了研究者们的广泛关注。

目前，用于高容量层状富锂锰基氧化物正极材料的制备方法主要有固相合成、液相共沉淀、溶胶-凝胶以及喷雾干燥。然而，常规固相合成方法所得产物离子混排高，容易产生固溶体形式外的金属氧化物杂质，所得产物电化学性能较差；溶胶-凝胶以及喷雾干燥生产成本较高，不适于工业化生产；而液相共沉淀法生产成本低，所得产物离子混排小，电化学性能优越，比较适合工业化生产。

如王绥军等发表的锂离子电池富锂正极材料Li[Ni_xLi_1/3-2x/3Mn_2/3-x/3]O₂(x＝1/5，1/4，1/3)的合成及电化学性能[J].高等学校化学学报.2009.12(30).2358～2362，其通过共沉淀法制备了M(OH)₂(M＝Mn，Ni)前驱体，并与LiOH混合，合成了锂离子电池富锂正极材料Li[Ni_xLi_1/3-2x/3Mn_2/3-x/3]O₂。研究结果表明，Li、Ni、Mn原子在M层中呈有序分布，形成超结构；富锂正极材料由亚微米的一次粒子团聚组成1～3μm颗粒；在2.0～4.8V电位范围内，可逆比容量达到200～240mA.h/g，同时具有良好的循环可逆性能。这种方法没有涉及掺杂对材料性能的影响，通过掺杂其他元素的方式可以提高层状富锂锰基氧化物正极材料的放电比容量和循环性能。

又如吴晓彪等在《锂离子电池正极材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13)]O₂的碳包覆研究》中(厦门大学学报(自然科学版)，2008.47(2).225-227)，以过渡金属乙酸盐和氢氧化锂为原料，采用共沉淀方法制备了锂离子电池富锂正极材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂并对该材料进行表面包碳。这种方法生产成本较高、碳包覆增加了生产成本，不能大规模工业化生产，而且通过掺杂改性的方式也能同样达到对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13)]O2的性能优化。

以上两篇文献中高容量层状富锂锰基氧化物正极材料的前驱体都是使用液相共沉淀法，即直接将化学计量比的不同种类的沉淀物质配制成混合溶液或悬浊液，然后加入沉淀剂进行化学反应将所需元素均匀的从溶液中析出，形成固溶体形式化合物的方法。但是由于不同物质的溶度积不同，造成液相共沉淀时的反应条件难以控制，导致沉淀物质中金属离子的混排、金属离子数量比与化学计量比不符、溶液或悬浊液中残留金属离子浓度较大等问题。金属离子的混排、金属离子原子数比与化学计量比不符造成正极材料放电比容量低、循环性能差；溶液或悬浊液中残留金属离子浓度较大造成生产中的原材料使用效率低、废液处理成本增加。

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反应条件容易控制且制备过程中沉淀物质中的金属离子混排以及金属离子数量比能与各反应物质的化学计量比相符合的高容量层状富锂锰基氧化物的制备方法，从而解决液相共沉淀法制备层状富锂锰基氧化物前驱体原材料使用效率低的问题，同时进一步降低生产成本。