[发明专利]一种锂离子电池正极材料锰酸锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及锂离子电池正极材料锰酸锂的形貌调控方法，具体地，本发明涉及一种锂离子电池正极材料锰酸锂及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、电池电压高、储存寿命长等优点，已应用于各种便携式电子产品和电动工具上。随着汽车工业的快速发展，我国的能源短缺和城市污染问题变得更加严峻，因此，发展电动汽车显得尤为重要。锂离子电池具有比能量高、使用寿命长等优点，是当前电动汽车最理想的动力电源，主要由正极、电解液、负极及电池壳组成。锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料。

金属锂的标准还原电位最负（V°=-3.02V），密度最小，以金属锂作为负极的锂电池电压最大，比能量最高。不同型号和能量的一次锂电池早己占据着稳定的市场份额。但由于金属锂的化学性质相当活泼，在电池充放电过程中，会在锂负极上沉积，产生枝晶锂。枝晶锂可能会穿透隔膜造成电池内部短路而导致爆炸。为了克服锂电池的这种不足，提高锂电池的安全可靠性1980年Armand提出了锂浓差电池的概念，首次引用“摇椅式电池”(Rocking Chair Battery)这一突破性思想，使锂蓄电池的实用化成为可能。

为了提高锂离子蓄电池的输出电压、比容量和循环寿命，近几年的研究热点之一是开发具有高电压、高容量和良好可逆性的正极嵌入材料。该材料可以提供大量的自由脱嵌和嵌入的锂离子。由于锂-过渡金属元素复合氧化物具有拓扑化学反应的特性，能够大幅度地提高电池的循环性能和倍率性能，所以目前研究较多的正极材料是富锂的过渡金属氧化物-LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄和LiMnO₂等。它们适合与Li_xC₆（当x=0时为纯碳）配对用作锂离子蓄电池的正、负极。其中，尖晶石锰酸锂（LiMn₂O₄）由于具有放电平台高（约4.1V，相对于锂）、原料丰富、合成简单、倍率性能好等优点，是最有可能应用于动力锂离子电池的正极材料之一。但是，LiMn₂O₄倍率性能尚不能很好满足电动汽车的需求。因此，为了加速电动汽车的实用化进程，进一步提高LiMn₂O₄的倍率性能十分关键。大量研究表明，嵌锂正极材料的形貌对其倍率性能有显著的影响，而嵌锂正极材料的形貌主要取决于其制备方法。

现有技术中LiMn₂O₄的制备方法主要有：固态反应合成法、Penchini法、溶胶-凝胶法、软化学法、乳胶干燥法、熔融提渍法以及微波合成法。其中，固态反应合成法由于工艺十分简单，制备条件简单控制，是目前LiMn₂O₄的主要制备方法之一。但现有的固相反应合成法制备LiMn₂O₄的过程中由于锂盐和锰盐未充分接触，反应过程中接触面积太小，导致了产物局部结构的非均一性，降低了LiMn₂O₄的电化学性能。

CN1151072C公开了一种生产尖晶石型锰酸锂的方法，包括以下步骤：粉碎电沉积的二氧化锰、将该粉末用氢氧化钠或碳酸钠中和至pH值为2～6，将电解二氧化锰与锂的原始材料混合并将该混合物在600～1000℃的温度下焙烧。该发明由于二氧化锰与锂的原始材料在反应过程中，接触面积较小，生成产物的结构均一性较差，影响了锰酸锂的电化学性能，尤其是锰酸锂的倍率性能和循环性能。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种锂离子电池正极材料锰酸锂的制备方法，所述方法工艺简单，反应接触面积大，反应效率高，生成的锰酸锂纯度和结晶度高，结构均一性优异。通过调节反应工艺参数，可以得到具有不同形貌特征的锂离子电池正极材料锰酸锂，所述锰酸锂具有十分优异的倍率性能和循环性能。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

所述锂离子电池正极材料锰酸锂的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用水热合成法制备得到MnO₂纳米线；

（2）将MnO₂纳米线与锂源化合物进行固相反应，制备得到LiMn₂O₄。