[发明专利]锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，更具体地说，涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的储能系统，具有安全性好、电压和比能量高、充放电寿命长等优点，广泛用于手机、笔记本电脑等数码产品以及电动工具、电动自行车和电动汽车等动力产品的储能装置。尖晶石锰酸锂材料是一种具有三维锂离子通道的锂离子电池正极材料，具有价格低、电位高、环境友好、安全性高等优点，适合应用在电动工具和电动车的储能电池领域。目前的研究结果表明，锰酸锂材料的高温循环性能差是制约其在动力储能装置方面大规模应用的主要因素，同时，具有优异的倍率性能是锰酸锂材料在动力储能装置方面大规模应用的必要条件。

影响锰酸锂材料高温循环性能的主要原因包括：(1)锰酸锂材料中Mn²⁺的溶解导致材料结构改变，降低材料的电化学活性；(2)Jahn-Teller效应；(3)锰酸锂材料中Mn⁴⁺的高氧化性导致电解液发生分解。减小锰酸锂材料的比表面积是改善锂离子电池高温循环性能的重要手段之一，低的比表面积可以减少锰酸锂材料与电解液的接触，从而减少锰的溶解，提高锂离子电池的高温循环性能。现有技术对锰酸锂材料及其制备方法进行了广泛的报道，例如，公开号为CN101764223A的中国专利文献报道了一种掺杂型球形锰酸锂及其制备方法，该方法将水溶性锰盐与高锰酸盐或过硫酸盐在液相条件下反应，生成球形二氧化锰；再用球形二氧化锰与锂盐和掺杂剂混合反应得到掺杂型球形锰酸锂。该方法在液相条件下以高锰酸盐或过硫酸盐为原料，不符合环保的要求也不利于大规模工业化生产；同时，该方法报道的掺杂型球形锰酸锂并未涉及如何改善锰酸锂材料的倍率性能方面的内容。

相关研究人员发现，在锰离子所占据的晶格位置导入其他金属离子取代锰离子的方法，可以减小锰酸锂材料的晶格常数，抑制锰酸锂材料在循环过程的晶体结构应变，提高锰酸锂材料的循环性能，并且上述其他金属离子的掺杂也有利于电子在材料内部的迁移，从而提高锰酸锂材料的倍率性能。另一方面，在氧离子所占据的晶格位置导入其他非金属离子取代氧离子的方法，可以减少锰酸锂材料在高温烧结过程中氧原子的缺失，有利于高温烧结后冷却过程中取得可逆放出的氧，达到提高循环性能的效果。公开号为CN102050496A的中国专利文献报道了一种高温循环锰酸锂的制备方法，该方法在锰酸锂材料中掺杂了Zn、Mg、Al、Cr、Nd和Ce等金属元素的一种或多种以提高锰酸锂材料的高温循环性能。另外，公开号为CN102054985A的中国专利文献报道了一种锰酸锂材料及其制备方法，该方法在锰酸锂材料中同时掺杂了取代锰离子的金属离子和取代氧离子的非金属离子，并在锰酸锂材料表面形成包覆层，以提高锰酸锂材料的循环性能。但是，上述报道的锰酸锂材料的制备方法均未对锰酸锂材料的表面形貌进行控制，因此该锰酸锂材料的高温循环性能和倍率性能有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种锂离子电池正极材料及其制备方法，该锂离子电池正极材料的高温循环性能和倍率性能良好。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种锂离子电池正极材料，具有式(I)所示的原子比组成：

Li_aM_xMn_2-xO_4-yZ_y

式(I)；

其中，0.8≤a≤1.2，0≤x≤1，0≤y≤0.1；

M为Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ag、Sn、La、Ce、Nd、Hf、Ta、W、Pt、Au、Ru和Pb中的一种或几种；

Z为F、Cl、Br、I和Se中的一种或几种；

所述锂离子电池正极材料的一次粒子具有类球形形貌，表面由2～120个多层晶体位错棱台构成，所述锂离子电池正极材料的一次粒子具有4～120个晶面。

优选的，所述锂离子电池正极材料的一次粒子的粒径为0.2μm～20μm。

相应的，本发明还提供一种锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：