[发明专利]一种制备阴极活性纳米复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学领域，具体涉及一种阴极活性纳米复合材料的制备方法。

发明背景

LiCoO₂因具有较高的工作电压和高能量密度的优点，其为现今商业锂离子电池中最常使用的正极材料。但LiCoO₂成本高、毒性大和相对较低的热稳定性，严重地限制了它的使用范围。这些限制刺激了大量的研究，以改善其热稳定性。但是低的热稳定性(尤其是当高充电放电率条件下使用电池时)引起的安全问题，LiCoO₂的使用仍然受到限制。LiCoO₂不适合运输用途的可充电电池的正极材料，因此它刺激了搜索替代正极材料，以便使用于电动汽车、混合动力电动汽车以及能源存储系统。LiNiO₂有一种大的理论容量和高的排放潜力。然而，它在充电放电周期中，LiNiO₂的晶体结构渐渐地处于折叠状态而降低了放电能力以及热稳定性。尖晶石结构的LiMn₂O₄是有吸引力的电池正极材料，因为其成本低、对环境无害和良好的热稳定性。不幸的是，由于循环中容量衰减快、高温时锰解散和高放电倍率差等问题，其商业应用受到限制。因此人们做了大量研究，以处理一个或多个问题，包括：引进杂原子(如镍、钴、铬等)到LiMn₂O₄的晶体结构中。修改的LiMn₂O₄可以用传统固体状态的反应法、溶胶-凝胶方法、微波法和喷雾干燥法制备。虽然这些方法提供了更加稳定的晶格，但它很难形成均匀掺杂。这可能会导致在循环过程中的相分离而缩短寿命。此外，由于颗粒通常比较大，几个微米的范围，这可能会降低电池性能，如高速率放电能力低。

电池材料的性能高度依赖形态、粒径、纯度和材料的导电性能等，不同材料合成过程随时可以产生不同的形态、粒径、纯度、或电导率材料。因此，电池材料的性能是高度依赖合成工艺。目前，生产Li_wM_xMn_yO_z新型材料大多采用固体状态的方法。由于金属掺杂需要，例如控制放电电压和提高电导率，传统固体状态法通常混合掺杂化合物与固体形式的主要金属前躯体。这种固态混合不能实现与其他前驱体均匀混合。因此，所合成材料的性能与质量将受到负面影响。此外，传统的加热方法，由于较长时间的加热，很容易导致严重粒子聚集，同时也增加能源消耗成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种新的工艺制备用于电池阴极的复合材料，该复合材料晶体混合均匀，在循环或存储过程中的材料无相分离，本发明制备的纳米活性复合材料可提高容量保留率、充电和放电倍率。

本发明所采用的技术方案如下：

一种阴极活性纳米复合材料，通式为Li_wM_xMn_yO_z，其中M是一种或多种金属元素，其制备方法包括如下步骤：

(1)至少一个水溶性金属盐和碱反应；

(2)干燥步骤(1)得到的产物，干燥温度为25～400℃；

(3)将步骤(2)的干燥产物与至少一个含锂前躯体研磨混合或铣削混合；

(4)添加含碳前躯体和/或含掺杂元素化合物；

(5)在惰性气体或空气或氧气环境中煅烧，煅烧温度为300～1100℃。

所述步骤(1)的水溶性金属盐为Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu的硫酸盐、硝酸盐或盐酸盐。

所述步骤(1)的碱为氢氧化钠或氢氧化铵。

所述步骤(3)中的锂前驱体为锂的氢氧化物、碳酸盐或醋酸盐。

所述步骤(4)中含碳前驱体为核糖、阿拉伯糖、木糖、果糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖的一个或多个。

所述步骤(4)中含碳前驱体为聚醚、聚乙二醇、聚酯、聚己内酯、聚乳酸、聚丁烯丁二酸、丁二酸己二酸丁二醇酯、对苯二甲酸和聚-羟基丁酸酯的一个或多个。