[发明专利]球形结构锂离子电池正极材料锰酸锂的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，特别涉及一种球形结构锂离子电池正极材料锰酸锂(LiMn₂O₄)的制备工艺。

背景技术

用于锂离子电池的正极材料主要有LiCoO₂、LiNiO₂以及LiMn₂O₄。虽然LiCoO₂已实现工业化生产，但其资源短缺、价格昂贵且有毒性，这些都成为了制约锂离子电池工业迅速发展的不利因素。尽管LiNiO₂以其较高的容量和较低的价格成为有希望替代LiCoO₂的正极材料之一，但是其制备却比较困难，晶体结构对制备的条件非常敏感，不易得到稳定的材料，因而限制了其发展。而尖晶石LiMn₂O₄不仅在价格上占有很大的优势，而且具有安全性好，无环境污染，工作电压高，成本低廉等特点，其三维的隧道结构比层状化合物更有利于锂离子的嵌入和脱出，因此它被认为是最有希望代替LiCoO₂的正极材料之一，而倍受研究者的关注。

目前，工业制造锰酸锂主要使用电解二氧化锰作为原料，通过与碳酸锂或氢氧化锂混合，然后在800℃左右高温煅烧而制得，这样得到的锰酸锂产品的品质有待于进一步提高，主要缺点是电解二氧化锰粉末由机械粉碎制得，其颗粒形貌难以控制，通常为无定型颗粒，比表面积比较大。此外，电解二氧化锰本身杂质含量较高，且在粉碎过程中因机械设备问题容易引入铁杂质，这些因素都严重影响着锰酸锂产品的质量。因此，生产高品质锰酸锂最好使用球形四氧化三锰为原料，同样通过与金属锂源混合焙烧制得，一方面保证了其球形结构、比表面积较小，有利于电池生产过程中的加工和减少锰溶解所导致的容量衰减，另一方面湿法合成四氧化三锰可以有效的控制杂质含量，有利于保证电池的循环性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种共沉淀反应制备Mn₃O₄并通过配锂源烧结制成的球形结构锂离子电池正极材料锰酸锂(LiMn₂O₄)的制备工艺。

本发明采用的技术方案如下：

球形结构锂离子电池正极材料锰酸锂的制备工艺，其特征在于，步骤如下：

①、原料的配制

配制锰盐溶液，将锰盐溶于热水中制成溶液，其浓度为1～3mol/L；

配制质量分数为20～30％的NaOH溶液，10～20％的氨水溶液；

②、球形Mn₃O₄前驱体的制备

以纯水为底液，温度升至50～80℃，开启搅拌，控制搅拌转速在60～180r/min，加入氨水和氢氧化钠，调节底液的碱度和pH，使碱度维持在5～30g/L、pH在9～12；

用恒流泵将锰盐溶液、氨水溶液和NaOH溶液加入高速搅拌的反应釜中，同时往反应液中通入流量为10～20m³/h的空气，调节反应溶液的pH维持在9～13，合成温度为50～80℃，碱度维持在20～40g/L，陈化时间为15～30h；

反应完全后，经洗涤、过滤、干燥得球形Mn₃O₄前驱体；

③、烧结

将球形Mn₃O₄前驱体、锂源化合物按摩尔比Li∶Mn＝1∶2的配比球磨混合充分，在空气中以1～10℃/min的速度升温加热，在500～800℃恒温煅烧10～30h，随炉冷却至室温，制得球形结构锂离子电池正极材料LiMn₂O₄。

优选地，所述的锰盐为硝酸锰、氯化锰、醋酸锰、硫酸锰中的一种。

优选地，所述的锂源化合物选自氢氧化锂、醋酸锂、碳酸锂、硝酸锂中的一种。

本发明球形结构锂离子电池正极材料锰酸锂的制备工艺，提出了以自制的球形Mn₃O₄为前驱体制备锂离子电池正极材料LiMn₂O₄的制备工艺，合成方法简单、过程易于控制，效率高，成本低廉，节约能源和资源，适合产业化生产。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是球形Mn₃O₄前驱体的SEM图。