[发明专利]一种锂离子电池用富锂锰基正极材料的制备方法

说明书

 

技术领域

 本发明属于化学电源锂离子电池正极材料技术领域，涉及一种锂离子电池用富锂锰基正极材料的制备方法，特别是涉及富锂锰基正极材料xLi[Li_1/3Mn_2/3]O₂·(1-x)LiMO₂（M=Ni、Co、Mn）的制备方法。

背景技术

富锂锰基正极材料实质上是一类层状化合物Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂(即Li₂MnO₃)和LiMO₂（M=Ni、Co、Mn）组成的固溶体正极材料，其化学通式可以写为xLi[Li_1/3Mn_2/3]O₂·(1-x)LiMO₂。研究表明，富锂锰基正极材料能够实现超过250mAh/g的比容量，完全满足高能量密度锂离子电池的需求，被认为是高能锂锂离子电池优选正极材料之一，由此得到国内外的高度重视，成为人们研究的热点。

目前富锂锰基正极材料的合成方法主要有固相法、共沉淀法和溶胶-凝胶法。其中溶胶-凝胶法属于液相制备范畴，各成分元素可以实现分子级别的均匀混合，制备的材料电化学性能较优。但是该方法也存在以下缺点：

1）溶胶形成过程中需要精确控制反应体系的pH值，一旦pH值有所变化就可能得不到溶胶，材料制备条件苛刻；

2）为消除杂质离子的影响，一般采用氨水调节体系pH值，可对自然环境产生危害；

3）整个制备过程需要一个较长时间的陈化过程；

4) 常需要消耗大量较昂贵的有机酸或醇，成本较高，不适于大规模生产。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种工艺简单、成本低廉的富锂锰基正极材料凝胶燃烧法制备技术，从而促进其进一步推广应用。

本发明为一种锂离子电池用富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于：

包括以下步骤：

1）按照预定产物化学式

             xLi[Li_1/3Mn_2/3]O₂·(1-x)LiMO₂；

             其中：M=Ni、Co、Mn； 0<x<1；

    以各金属组分比例计算并称取镍源化合物、钴源化合物、锰源化合物和锂源化合物，并将上述原料置于加热搅拌反应釜中，配置特定浓度的溶液；其中，上述镍源化合物、钴源化合物、锰源化合物和锂源化合物为镍、钴、锰、锂的硝酸盐或醋酸盐；

2）向上述溶液中加入质量占上述原料总质量的5%-30%的淀粉以及1-10%的增稠剂，加热至80-110℃，并持续搅拌，使淀粉糊化，形成凝胶； 

3）利用泥浆泵将上述凝胶转移至带式干燥机，110-150℃烘干得到致密的干凝胶；

4）将干凝胶置于辊道窑，700-850℃高温处理4-10h，冷却后得到黑色粗料；粗料经气流粉碎后得到富锂锰基正极材料。

按照本发明所述的方法，其特征在于：所述淀粉为直链淀粉、支链淀粉，接枝淀粉、氧化淀粉、双醛淀粉中的一种或多种；

所述增稠剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮其中的一种或多种；

所述泥浆泵出料口连接有涂布机构，将所述凝胶均匀涂布在带式干燥机上直接烘干，得到片状干凝胶；

所述步骤4）中辊道窑烧结时有空气或氧气通入，通气量为1-100L/min。

本发明具有的优点和积极效果是：

1．本发明通过淀粉糊化作用或向溶液中添加增稠剂，实现金属盐溶液向凝胶的迅速转变，无需长时间陈化，无需调节体系pH值，工艺简单，易于产业化应用。

2．本发明所采用的淀粉和增稠剂均属于有机化合物，由于热处理过程中有大量氧气或空气通入，这些有机化合物剧烈燃烧，释放出大量热量，诱发高放热化学反应，实现材料的低温短时间合成，材料电化学性能优异。

3．本发明不使用氨水，不排放重金属废水，属绿色化工范畴。

4．凝胶形成后直接利用带式干燥机烘干，干燥效率高，适合工业化生产。经烘干后的凝胶转变为致密的干凝胶，不仅实现原料的均匀混合，而且各原料之间紧密接触，有利于加快反应速度，材料振实密度也得到提高。