[发明专利]应用三螺杆密炼挤出机纺丝制备微孔LiMn2O4类纤维的方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种应用三螺杆密炼挤出机纺丝制备微孔LiMn₂O₄类纤维的方法。

背景技术

  锂离子电池是以嵌锂化合物作为正负极材料的新一代高比能电池， 具有电池电压高，比能量大， 循环寿命长，自放电小以及有利于环保等优点， 因此成为化学电源领域的研究热点。锂离子电池的负极一般采用改性石墨等碳材料。在锂离子电池的普及应用过程中，制备性能优越而且价格便宜的正极材料是锂离子电池发展的关键问题之一。

锂离子电池正极材料主要是锂与过渡金属氧化物形成的嵌入化合物，如具有层状结构的LiCoO₂ 和LiNiO₂ 和具有正尖晶石结构的LiMn₂O₄。LiMn₂O₄具有如下优点: 锰的储量丰富价格低；低毒，易于回收；耐过充电的热稳定性、安全性能好。可作为电动车和电动工具等动力电源的正极材料。但是尖晶石LiMn₂O₄在循环过程和高温条件下(55 ℃)的容量衰减过快，是制约它进一步市场化的主要因素。大多数研究者认为，导致LiMn₂O₄循环性能差的主要因素是：Mn 在电解质中的溶解、电解液的分解和John-Teller 效应。为了抑制LiMn₂O₄的容量衰减，人们对材料进行掺杂改性，以提高它的稳定性。通常采用阳离子(如RE、Li¹⁺、Co³⁺、Ni²⁺等)、阴离子(如S^2?、F^?、Cl^?等)、或阴阳离子共同掺杂(如Al-F，Co-S 等)来提高尖晶石LiMn₂O₄的稳定性，降低充放电过程中对材料结构的破坏程度。

自从1981 年, Hunter 用固相法制备LiMn₂O₄正极材料至今, 对尖晶石LiMn₂O₄ 作为锂离子二次电池的正极材料的研究已有近二十年的历史。早在研究之初, 用固相法制备的化学计量比的正尖晶石LiMn₂O₄ 就被发现在充放电循环过程中, 容量逐渐衰减, 因此, 人们把注意力放在了用非固相法( 溶胶—凝胶法, 液相浸渍法等) 制备非化学计量比的和掺杂了其它元素的尖晶石结构材料。

面对日益短缺的石油能源危机，寻找环境友好、低碳、可持续发展的再生能源是一项亟待研究和解决的任务。作为化学储能的锂离子电池，由于具有高电压、高能量密度、循环寿命长和无记忆效应等优点而得到的广泛研究和发展。但是，目前商业化的锂离子电池（Lithium Ion Batteries）应用主用集中于低功率产品，对于大功率应用仍面临诸多挑战与问题，如高倍率充放电下表现出较高的极化效应和容量衰减问题。对于正极材料LiMn₂O₄而言，由于其具有较高的平台电压、环保、丰富的锰资源以及相对较低的成本等优点而备受关注。普通微米级的LiMn₂O₄由于具有较长的锂离子扩散路径而导致较低的倍率性能，从而影响其高功率应用。近年来，纳米材料的功能化研究已经得到了广泛关注，也被认为是提高高功率电极材料应用的一种行之有效的途径。由于其大大缩短了锂离子扩散长度，减少了高倍率充放电下的极化效应。

随着共混分散加工的飞速发展, 对加工中各种组分的细化、分散效果及最终混合物的混合状态, 形态结构要求越来越高, 相应地出现了种类繁多的适应不同混合工艺要求的混炼设备, 如双螺杆挤出机, 盘式挤出机, 行星螺杆挤出机, 还有近两年推向市场的往复式单螺杆混炼挤出机, 以及螺杆震动连续混炼机, 这些设备在改性领域发挥着很好的作用。应当肯定, 机械设备是完成混合、分散工艺、实现改性的重要工具。